Strutture dei SO. Sistemi Operativi Giuseppe Prencipe. Processi

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1 Sistemi Operativi Giuseppe Prencipe Strutture dei sistemi operativi Strutture dei SO I SO forniscono l ambiente in cui si eseguono i programmi Si possono considerare da diversi punti di vista Ora analizzeremo i servizi offerti da un SO, come sono offerti, e come i SO possono essere progettati Tipiche componenti del SO Gestione processi Gestione memoria principale Gestione file Gestione memoria secondaria Gestione I/O Network Sistema di protezione Interprete comandi 3 Processi Un processo è un programma in esecuzione Stampa, compilatore, programma elaborazione testi Per svolgere i propri compiti, un processo necessita di varie risorse: tempo CPU, memoria, file, I/O Le risorse possono essere allocate al processo alla sua creazione o durante la sua vita IMPORTANTE: un programma di per sé non è un processo!! Programma: entità passiva Processo: entità attiva (sequenziale) 4 1

2 Processi Il processo è l unità di lavoro di un sistema Il sistema è costituito da vari processi (utente e sistema) Il SO è responsiabile delle seguenti attività connesse alla gestione dei processi Creazione e cancellazione Sospensione e ripristino Fornitura meccanismi per Sincronizzazione processi Comunicazione fra processi Gestione del deadlock 5 Creazione, sincr. e comunic. Albero dei processi A crea 2 processi figli: B and C B crea 3 processi figli: D, E, and F 6 Deadlock (a) Potenziale deadlock. (b) Deadlock. 7 Gestione memoria principale È un grande array di parole o bytes, ognuna con un proprio indirizzo. È un contenitore di dati accessibili velocemente; è condivisa da CPU e I/O CPU legge istruzioni, e legge e scrive dati I/O vi accede, se si usa DMA È volatile: perde i dati in caso di mancanza alimentazione Per eseguire un programma, è necessario che esso sia in memoria, associato ad indirizzi assoluti Generati dalla CPU Quando il programma termina, il suo spazio di memoria è dichiarato disponibile 8 2

3 Gestione memoria principale Il SO è responsabile di Tener traccia di quali parti della memoria sono correntemente udsate e da chi Decidere quali processi caricare in memoria quando lo spazio diventa disponibile Allocare e deallocare lo spazio in memoria secondo le necessità Gestione dei file È la parte del SO più visibile Le informazioni sono memorizzate su vari dispositivi, ciascuno avente le proprie caratteristiche Organizzazione dati, velocità, metodo d accesso (diretto o sequenziale) Il SO fornisce una visione logica, astraendo le caratteristiche fisiche dei dispositivi, definendo un unità di memorizzazione logica: il file 9 10 Gestione dei file Un file è una collezione d informazioni correlate definite dal loro creatore. Tipicamente, i file rappresentano programmi e dati Possono essere numerici, alfabetici o alfanumerici La loro forma può essere libera o rigidamente definita Sono formati da una sequenza di bit, byte, righe o record, i cui significati sono definiti dai loro creatori Il concetto di file è molto generale 11 Gestione dei file Il SO è responsabile di Creazione e cancellazione file Creazione e cancellazione directory Fornitura delle funzioni fondamentali per la gestione di file e directory Associazione dei file ai dispositivi di memoria secondaria Creazione di copie di riserva (backup) su dispositivi non volatili 12 3

4 File System Montare il file system File system per un dipartimento universitario 13 Prima di montare, I file sui floppy sono inaccessibili Dopo aver montato il floppy su b, I file sul floppy sono parte della gerarchia 14 Gestione I/O Il sistema di I/O consiste di Un sistema di gestione dei buffer Un interfaccia generale per I driver dei dispositivi I driver per gli specifici dispositivi È l unico che conosce le caratteristiche dello specifico dispositivo 15 Gestione della memoria secondaria Dato che la RAM è volatile e troppo piccola, il sistema deve prevedere una memoria secondaria di supporto alla principale La maggior parte dei moderni sistemi di calcolo usa i dischi, sia per i programmi che per i dati Il SO è responsabile Della gestione dello spazio disponibile Assegnazione dello spazio Scheduling del disco 16 4

5 Reti Un sistema distribuito è una collezione di processori che non condividono memoria o clock. Ogni processore ha la propria memoria locale I processori sono connessi tramite una rete di comunicazione (totalmente o parzialemente connessa) La comunicazione avviene tramite un protocollo FTP, NFS, HTTP Un SO distribuito è organizzato in modo da costituire un unico ambiente che offre all utente l accesso alle proprie risorse 17 Reti Un SO distribuito generalizza l accesso alla rete come una forma d accesso a file L accesso a risorse condivise permette Aumentare lo speed-up Aumentare disponibilità dei dati Aumentare l affidabilità 18 Sistema di protezione La protezione è definita da ogni meccanismo che controlla l accesso da parte di programmi, processi o utenti alle risorse di calcolo Il meccanismo di protezione deve Distinguere tra utilizzi legali e non Specificare I controlli da eseguire Fornire mezzi per farla rispettare Registri base e limite Interprete dei comandi Uno dei programmi di sistema più importanti in un SO è l interprete dei comandi È l nterfaccia fra utente e SO Molti comandi si imparticscono al SO attraverso istruzioni di controllo Creazione e gestion processi Gestione I/O Gestione memoria secondaria Gestione memoria principale Accesso file system Protezione Rete

6 Interprete dei comandi Il programma che legge e interpreta i comandi è detto Interprete dei comandi Shell (in UNIX) La sua funzione è di leggere la successiva istruzione di comando ed eseguirla Tramite finestre e mouse Da tastiera Shell UNIX sh, csh, tcsh, ksh, bash % date % date > file Redirezione output % sort < file1 > file2 Redirezione input e output % cat file1 file2 file3 sort > /dev/lp & concatenazione Servizi di un SO Esecuzione di un programma: caricare un prgramma ed eseguirlo I/O: programmi utente non possono eseguire I/O direttamente il SO deve fornire mezzi necessari Gestione file system: leggere, scrivere, creare e cancellare file Comunicazioni: scambio di informazioni tra processi (sulla stessa macchina o tra sistemi differenti in rete) Tramite scambio di messaggi o memoria condivisa Rilevamento d errori: nella CPU, in memoria, nei dispositivi I/O, o nei programmi utente 23 Funzioni del SO extra Esistono altre funzioni che non servono a aiutare l utente, ma per assicurare efficienza Allocazione risorse: tra più utenti o più lavori in esecuzione allo stesso tempo Contabilizzazione uso risorse: per tener traccia di quali utenti usano il calcolatore, segnalando quali e quante risorse impiegano Protezione: assicurare che l accesso alle risorse di sistema sia controllato 24 6

7 3. Chiamate di sistema Forniscono l interfaccia tra un programma in esecuzione e il SO Disponibili come istruzioni in linguaggio macchina Ci sono linguaggi definiti per sostituire l assembler e che consentono di invocare le chiamate di sistema (C, C++) Un processo può richiedere frequentemente l intervento del SO Cosa sono le system call? Ma esattamente cosa accade quando viene invocata una system call? Vediamo in dettaglio come funziona una chiamata a read (fd, buffer, nbytes); Chiamata a read(fd, buffer,nbytes) read(fd, buffer, nbytes) AddrMax Spazio utente RETURN (ritorno al programma chiamante) TRAP al kernel Metti il codice della read() nel registro Codice della funzione di libreria read() AddrMax Spazio utente RETURN (ritorno al programma chiamante) TRAP al kernel Metti il codice della read() nel registro Codice della funzione di libreria read() Incrementa SP (Stack Pointer) CALL read Push di fd Push di &buffer Push di nbyte Codice della chiamata a read() da parte del programma utente Incrementa SP (Stack Pointer) CALL read Push di fd Push di &buffer 1,2,3 Push di nbyte Codice della chiamata a read() da parte del programma utente Spazio kernel (sistema op.) DISPATCH 0 Smistatore (dispatch) Tabella di corrispondenza System Call Handler Gestore della chiamata di sistema 27 Spazio kernel (sistema op.) 0 DISPATCH System Call Handler Passi 1,2,3 : si ricopia il valore dei parametri sullo stack 28 7

8 read(fd, buffer, nbytes) read(fd, buffer, nbytes) AddrMax Spazio utente RETURN (ritorno al programma chiamante) TRAP al kernel Metti il codice della read() nel registro Codice della funzione di libreria read() AddrMax Spazio utente RETURN (ritorno al programma chiamante) TRAP al kernel Metti il codice della read() nel registro 5 Codice della funzione di libreria read() Incrementa SP (Stack Pointer) X CALL read 4 Push di fd Push di &buffer Push di nbyte Codice della chiamata a read() da parte del programma utente Incrementa SP (Stack Pointer) CALL read Push di fd Push di &buffer Push di nbyte X Codice della chiamata a read() da parte del programma utente Spazio kernel (sistema op.) DISPATCH System Call Handler 0 Passo 4 : chiamata di read() salto alla prima istruzione di read() + push indirizzo di ritorno (X) sullo stack 29 Spazio kernel (sistema op.) DISPATCH System Call Handler 0 Passo 5 : Inizia l esecuzione della read(): caricamento del codice della system call in un registro fissato Rx 30 read(fd, buffer, nbytes) read(fd, buffer, nbytes) AddrMax Spazio utente RETURN (ritorno al programma chiamante) TRAP al kernel 6 Metti il codice della read() nel registro Y Codice della funzione di libreria read() AddrMax Spazio utente RETURN (ritorno al programma chiamante) TRAP al kernel Metti il codice della read() nel registro Y Codice della funzione di libreria read() Incrementa SP (Stack Pointer) CALL read Push di fd Push di &buffer Push di nbyte X Codice della chiamata a read() da parte del programma utente Incrementa SP (Stack Pointer) CALL read Push di fd Push di &buffer Push di nbyte X Codice della chiamata a read() da parte del programma utente Spazio kernel (sistema op.) DISPATCH System Call Handler 0 Passo 6 : Esecuzione TRAP passaggio in kernel mode, salto al codice dello smistatore 31 Spazio kernel (sistema op.) 0 DISPATCH System Call Handler 7-8 Passi 7-8 : Selezione della SC secondo il codice in Rx 32 8

9 read(fd, buffer, nbytes) read(fd, buffer, nbytes) Spazio utente Spazio kernel (sistema op.) AddrMax 0 RETURN (ritorno al programma chiamante) TRAP al kernel Metti il codice della read() nel registro Incrementa SP (Stack Pointer) CALL read Push di fd Push di &buffer Push di nbyte DISPATCH System Call Handler Codice della funzione di libreria read() 9 Codice della chiamata a read() da parte del programma utente Passo 9 : Ritorno alla funzione di libreria ripristino user mode, caricamento PC con l indirizzo dell istruzione successiva alla TRAP (Y) X Y 33 AddrMax Spazio utente Spazio kernel (sistema op.) 0 RETURN (ritorno al programma chiamante) TRAP al kernel Metti il codice della read() nel registro 11 Incrementa SP (Stack Pointer) X CALL read Push di fd Push di &buffer Push di nbyte DISPATCH System Call Handler Codice della funzione di libreria read() Codice della chiamata a read() da parte del programma utente Passi : Ritorno al codice utente (nel modo usuale) PC = X, SP viene incrementato per eliminare il frame della read() System Calls I processi hanno 3 segmenti: testo, dati, pila 35 Passaggio di parametri 3 metodi generali per passare parametri tra un programma e il SO Tramite registri Se ci sono più parametri che registri? Memorizza i parametri in una tabella (o blocco) in memoria e si passa l indirizzo del blocco (parametro) in un registro I parametri sono collocati (push) in una pila di sistema da cui sono prelevati (pop) dal SO 36 9

10 Passaggio parametri: tabella 37 Tipi di system calls Controllo dei processi end, abort, load, execute, create process, terminate process, get process attributes, set process attributes, wait for a time, wait event, signal event, allocate and free memory. Gestione dei file create file, delete file, open, close, read, write, reposition, get file attributes, set file attributes. Gestione dei dispositivi request and release device, read, write, reposition, get device attributes, set device attributes, logically attach or detach devices. Gestione delle informazioni get time or date, set time or date, get system data, set system data, get process, file, or device attributes, set process, file, or device attributes, Comunicazioni Create or delete communication connection, send or receive messages, transfer status information, attach or detach remove devices. 38 Esecuzione MS-DOS UNIX Avvio Sistema Esecuzione Programma

11 Shell # define TRUE 1 Alcune system call di UNIX per la gestione processi while (TRUE) { /* repeat forever */ type_prompt( ); /* display prompt */ read_command (command, parameters) /* input from terminal */ } if (fork()!= 0) { /* fork off child process */ /* Parent code */ waitpid( -1, &status, 0); /* wait for child to exit */ } else { /* Child code */ execve (command, parameters, 0); /* execute command */ } Alcune system calls di UNIX per la gestione dei file Alcune system calls di UNIX per la gestione directory

12 System call (Link) (a) 2 directory prima del link di /usr/jim/memo alla directory ast (b) Dopo link % link( /user/jim/memo, /user/ast/note ) 45 UNIX and Windows UNIX: esiste una certa corrispondenza tra l insieme delle system call e l insieme delle procedure di libreria usate per invocare le system call. Circa 100 system call Windows: differente insieme di system call e di procedure di libreria. Esiste un insieme di procedure (Win32 API -- Application Program Interface) utilizzate dal programma per richiedere l uso del SO. Win 32 API ha qualche migliaio di procedure e molte di esse girano in modo utente. Quindi, è difficile capire cosa è una system call. 46 Some Win32 API calls 47 Comunicazione Modello a scambio di messaggi Informazioni tra processi scambiate tramite una funzione di comunicazione del SO Aprire collegamento per comunicazione tra processi Nome di processo e nome di macchina (host name) convertiti in identificatori utilizzati dal SO I processi che gestiscono la comunicazione sono demoni specifici: programmi realizzato con questo scopo 48 12

13 Comunicazione Modello a memoria condivisa Comunicazione tramite memoria Chiamate di sitema map memory Ma il sistema impedisce a un processo di invadere la memoria non sua...e allora???? Più processi devono essere concordi nel superare i propri limiti di memoria Più veloce Programmi di sistema Forniscono un ambiente conveniente per lo sviluppo e l esecuzione dei programmi (es.: interfacce) Gestione file Informazioni di stato Modifica dei file Ambienti d ausilio alla programmazione Caricamento ed esecuzione dei programmi Comunicazioni Programmi d applicazione (browser Web, editors, ) 50 Programmi di sistema Programma di sistema importante: interprete dei comandi Interprete contiene il codice di alcuni comandi I programmi di sistema sono tutti fuori esterni all interprete La visione degli utenti del SO è definita dai programmi di sistema e non dalle chiamate di sistema 5. Struttura del sistema Struttura del sistema: connessioni e gestione delle varie componenti del sistema Alcune strutture Monolitica A livelli Macchine virtuali Modello client-server

14 Organizzazione Monolitica (tipica di Unix, Linux,Windows) Applicazioni Gestore del processore/ Scheduler(s) Gestore della memoria Interprete di comandi (shell) Hw Gestore delle periferiche/ dispositivi Interfaccia grafica (desktop) File system Eseguiti in stato utente Eseguiti in stato supervisore 53 Struttura MS-DOS Scritto per fornire il massimo della funzionalità in poco spazio Non diviso in moduli Sebbene MS-DOS abbia una qualche struttura, le sue interfacce e livelli di funzionalità non sono ben separati 54 Struttura MS-DOS Struttura UNIX Il SO UNIX originale è formato da due parti Programmi di sistema Shell e comandi, compilatori e interpreti, librerie di sistema Il kernel Consiste di tutto ciò che è al di sotto dell interfaccia delle chiamate di sistema e al di sopra dell hardware File system, CPU scheduling, gestione memoria, e molte altre funzioni (tante per un livello solo)

15 Struttura UNIX Approccio stratificato Il SO è diviso in livelli (layers), ognuno costruito sui livelli Il livello 0 (il più basso) è l hardware; quello più alto, è l interfaccia utente I livelli sono strutturati in modo tale che ognuno usi funzionalità e servizi forniti dai livelli inferiori (modularità) Un livello del SO Livelli del SO THE (1968) Layer 5 Layer 4 Layer 3 Layer 2 Layer 1 Layer 0 Programmi utente Buffering dei dispositivi I/O Terminal drivers Gestione memoria CPU scheduling Hardware

16 Problemi struttura a livelli Struttura a livelli OS/2 Accurata definizione dei livelli Es.: Driver memoria ausiliaria (Backing store drivers) < Gestione memoria Backing store drivers? CPU scheduling Efficienza Es.: programma utente esegue una operazione I/O Programma esegue una system call al livello I/O I/O effettua una system call al livello gestione memoria. Che effettua una system call al livello scheduling CPU. Che effettua la system call all hardware Macchina virtuale Sistema di calcolo a strati Hardware Nucleo, sfrutta le istruzioni offerte dall hardware per fornire chiamate di sistema utilizzate da livelli superiori I programmi di sistema possono invocare system call o istruzioni macchina Estensione di questo schema I programmi applicativi possono chiamare i programmi di sistema 63 Macchine Virtuali Una macchina virtuale estende il concetto introdotto dai livelli. Tratta hardware e kernel del SO come se fossero un tutt uno Gli applicativi trattano quello che sta sotto come se fosse parte della macchina Il SO può creare l illusione di più processi ognuno eseguito sul proprio processore con la propria memoria (virtuale) Presenza di più macchine (virtuali) 64 16

17 Struttura del VM/370 con CMS (Conversational Monitor System1979) multiprogramming Macchine virtuali Le risorse della macchina fisica sono condivise per creare le macchine virtuali CPU scheduling può simluare la presenza di più processori Ogni macchina virtuale potrebbe usare un differente SO Il metodo basato sulle macchine virtuali non offre funzioni aggiuntive, ma è un interfaccia identica all architettura sottostante. Ciascun processo dispone di una copia (virtuale) del calcolatore sottostante Macchina virtuale Non-virtual Machine Virtual Machine Vantaggi--Svantaggi Protezione delle risorse di sistema Ogni macchina virtuale è isolata dalle altre. Non si può avere condivisione diretta delle Perfetta per la ricerca e lo sviluppo dei SO Lo sviluppo è fatto sulla macchina virtuale e non sulla macchina fisica Difficile da implementare È complicato fornire una esatta copia della macchina sottostante Modo utente virtuale e modo superutente virtuale Come si gestiscono i dischi? Minidischi IBM

18 MS-DOS su un Pentium Windows fornisce una macchina virtuale 8086 per eseguire programmi MS-DOS su una CPU Intel a 32 bit Il sistema MS-DOS viene caricato in una macchina virtuale Java Virtual Machine I programmi Java compilati sono indipendenti dalla piattaforma Viene generato il bytecode eseguibile da una Java Virtual Machine (JVM) JVM consiste di Caricatore di classi Carica i.class dell utente e della libreria API, affinché l interprete possa eseguirli Verificatore di classi Controlla la correttezza sintattica del bytecode Interprete di linguaggio che esegue il byte-code La memoria viene gestita automaticamente tramite garbage collection: recupero aree di memoria non più utilizzate Just-In-Time (JIT) compilers increase performance 70 Java Virtual Machine 5. Micronucleo Il nucleo di UNIX è cresciuto sempre più e diventato difficile da gestire Verso la metà degli anni 80, un gruppo della Carnegie Mellon University realizzò un SO a micronucleo (microkernel) MACH

19 Micronucleo Filosofia: Si rimuovono dal nucleo tutti i componenti non essenziali, reailizzandoli come programmi del livello utente e di sistema Nucleo ridotto, che offre i servizi minimi di gestione dei processi, della memoria e di comunicazione (a scambio di messaggi) Il micronucleo fornisce funzioni di comunicazione tra i programmi client e i vari servizi Es.: per accedere a un file, un client deve interagire con il file server. Ciò avviene tramite scambio di messaggi con il micronucleo 73 Organizzazione Client-Server Applicazioni Scheduler ad alto livello (Proc server) (a nucleo minimo o microkernel) Memory server Interprete di comandi (shell) Server delle periferiche/ dispositivi File Server Nucleo/kernel : Scheduler a basso livello + meccanismi IPC Hw Interfaccia grafica (desktop) Eseguiti in stato utente Eseguito in stato supervisore 74 Organizzazione Client-Server I vari processi server comunicano fra di lori con i normali meccanismi di comunicazione usati dai processi utenti (es. send-receive) Organizzazione Client-Server Scheduler ad alto livello Server della memoria Server delle periferiche/ dispositivi File Server Nucleo/Kernel : Scheduler a basso livello + meccanismi comunicaz. Hw

20 Modello client-server in un sistema distribuito Organizzazione Client-Server Minimizza le funzioni del SO che girano in modo kernel Molte funzioni sono realizzate da processi server che girano in modo utente Nucleo minimo (Microkernel) : Funzioni base per la gestione dei processi e comunicazione fra processi Comunicazione con i dispositivi vista come messaggi speciali Organizzazione Client-Server Quando un processo richiede un servizio comunica con uno dei processi server Es.: effettua una send al file server per richiedere la lettura da un file L attesa della terminazione di una servizio avviene come attesa di una comunicazione Es.: effettua una receive al file server per ottenere le informazioni lette 79 Micronucleo Vantaggi: Facilità d estensione del SO (mai modifiche al nucleo) SO facile da adattare alle diverse architetture Sicurezza e affidabilità (servizi eseguiti come processi utente se corrotti, il nucleo è intatto) 80 20

21 Client-server vs modello monolitico Più sicuro Meno efficiente Si adatta bene ai sistemi operativi di rete Windows NT 3.0 adottava un modello ispirato al client/server (ibrido) scartato perché troppo lento Studiato in ambito accademico Es.: MACH, Minix, sono versioni di Unix a microkernel Scopi della progettazione Utente: il SO dovrebbe essere facile da usare, affidabile, sicuro e veloce Sistema: il SO dovrebbe essere facile da progettare, implementare e gestire, flessibile, efficiente e affidabile e senza errori Software Engineering 82 Meccanismi e politiche I meccanismi determinano come fare qualcosa Le politiche (criteri) decidono cosa fare Temporizzatore: meccanismo Quantità di tempo da impostare: politica La separazione di politiche e meccanismi è un principio fondamentale: permette massima flessibilità se le politiche devono essere cambiate Il modello client-server usa questo approccio. Pochi meccanismi nel nucleo, e i processi server gestiscono le politiche 83 Realizzazione Scritti tradizionalmente in assembler, i SO oggi sono scritti in linguaggi ad alto livello Codice ad alto livello Viene scritto più velocemente È più compatto È più facile da capire e correggere È decisamente più facile fare il porting (tradurlo per un hardware diverso) 84 21

22 7. Generazione di sistemi (SYSGEN) Progettare i SO per essere esguiti su una classe di macchine; il sistema si deve generare o configurare per ciascuna situazione specifica Processo note come SYSGEN Per generare un sistema, un programma speciale deve ottenere le informazioni relative alla specifica configurazione del sistema hardware CPU da impiegare Memoria disponibile Dispositivi disponibili Opzioni del SO richieste (dimensioni buffer, algoritmo di scheduling CPU richiesto, numero max di processi, ecc.) Come fa la macchina fisica a sapere dove si trova il nucleo e a caricarlo in memoria? Booting procedura che avvia la macchina caricando il nucleo Bootstrap program codice in ROM che è capace di individuare il kernel, caricarlo in RAM e avviarlo 85 Per oggi basta!!!! 86 22