Tecnologie dell'informazione e della Comunicazione. Nozioni di base sui sistemi operativi e sulle reti di calcolatori. Prof.

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1 Tecnologie dell'informazione e della Comunicazione Nozioni di base sui sistemi operativi e sulle reti di calcolatori Prof. Mauro Gaspari

2 Il sistema operativo Software di sistema che gestisce e fornisce un accesso facilitato all hardware. (esempi: linux, windows, unix, MacOS). Superare problemi legati alle limitazioni delle risorse hardware. Favorire la condivisione delle risorse hardware, regolandone l accesso da parte di utenti/programmi diversi. Esempi di sistemi operativi: Proprietari: windows 2000/XP/VISTA, MAC OS, solaris, special purpose OS. Open source: linux

3 Funzionalità di un sistema operativo Garantire la correttezza e la precisione nell elaborazione e nella trasmissione dell informazione. Consentire all utente di non interessarsi al problema della localizzazione delle risorse. Garantire il massimo livello di affidabilità, disponibilità e sicurezza dei sistemi. Assicurare la riservatezza dei dati tra più utenti. Consentire la realizzazione di soluzioni aperte (interoperabilità tra dispositivi e software realizzati da produttori diversi) Superare i problemi legati alla limitazione del numero delle risorse e, al tempo stesso, regolamentarne l impiego evitando conflitti di 3 accesso

4 Organizzazione a livelli Kernel (nucleo) interfaccia con l hardware (I/O). realizza il concetto di processo (programma in esecuzione) con uno scheduler time sharing. Livello chiamate di sistema (system call). Interfaccia utente (grafica o testuale).

5 Organizzazione a livelli: dettagli avviamento del calcolatore e configurazione dell ambiente virtuale bootstrap gestione del processore e dei processi programmi applicativi interfaccia utente System call file system utente gestione della memoria principale gestione della memoria secondaria gestione delle periferiche gestione processi memoria risorse H W

6 Nucleo del sistema operativo (kernel) Compiti del nucleo: strato che dialoga direttamente con l hardware esecuzione dei programmi e risposta a eventi generati dalle periferiche Requisito fondamentale: consentire a utenti/programmi diversi la condivisione delle risorse Offrire virtualmente ad ogni utente/programma tutta la macchina Tante CPU virtuali Processo Processo... Processo CPU virtuale CPU virtuale... CPU virtuale Memoria BUS 6

7 Programmi e processi Programma: entità statica Memorizzato in genere su un dispositivo di memoria di massa Processo: entità dinamica Programma in esecuzione Dati utilizzati dal programma (in memoria) Informazioni relative al programma (contesto del programma) A un programma possono corrispondere diversi processi (copie in dello stesso programma contemporaneamente in esecuzione) Un processo può a sua volta richiedere l esecuzione di altri processi (si parla di processo padre e processi figli) Programma... istruzioni istruzioni... Processo Dati Altre informazioni 7

8 Programmi CPU bound Programmi CPU bound e I/O bound La maggior parte del tempo di esecuzione è impiegato dalla CPU, le operazioni di Input/Output sono poche rispetto alla quantità delle elaborazioni effettuate Esempio: applicazioni scientifiche La compilazione è praticamente indispensabile Programmi I/O bound Eseguono molte operazioni di Input/Output inframmezzate da brevi periodi di elaborazione Esempio: sistemi informativi, programmi gestionali Si possono utilizzare anche linguaggi interpretati, senza che le prestazioni ne risentano in modo sensibile 8

9 Sistemi operativi e processi Multitasking: possibilità di eseguire più programmi contemporaneamente dividendo il processore tra le varie applicazioni (processi). Multiutente: lo è un sistema operativo che permette l accesso contemporaneo di più utenti. Lo scheduler dei processi deve garantire tempi di risposta sotto una certa soglia per dare l idea al singolo utente di avere tutto il computer per se. Unix (Linux) è nato come un sistema operativo nato come MULTIUTENTE.

10 Realizzazione dei Processi Parallelismo reale Possibile solo sui sistemi multi processore Parallelismo simulato Salvataggio e ripristino del contesto (valore dei registri e altre informazioni sul processo) Time sharing Vantaggi Sistemi flessibili Miglior sfruttamento delle risorse Processo P1 Processo P2 Processo P3 Tempo Elaborazione Attesa 10

11 Realizzazione dello scheduling Qualunque processo alterna fasi di esecuzione a fasi in cui è bloccato in attesa di qualche evento esterno (es. accesso a risorse, risposta dell utente) La velocità di elaborazione del processore è migliaia di volte superiore a quella di risposta delle periferiche, e milioni rispetto a quella dell utente Quindi i tempi di attesa, nei programmi che fanno uso di risorse generiche, sono molto maggiori dei tempi di esecuzione Il processore passa quindi molto tempo inattesa (idle) esec. attesa processo P1 processore processo P2 attivo idle

12 Tecnica per realizzare il esec. attesa esec. attesa attivo attivo idle multitasking processo P1 processo P2 processore Ogni volta che P1 è in attesa di evento esterno, P2 viene mandato in esecuzione C è contemporaneità macroscopica che corrisponde ad una rapida alternanza Time Sharing: necessità di risposte veloci per permettere l utilizzo contemporaneo del calcolatore da parte di più utenti. Realizzato con interruzioni e quanti di tempo.

13 Avanzamento dei processi in un sistema multitasking, un processo può trovarsi in 3 stati (in esecuzione, in attesa, pronto). Un solo processo è in esecuzione, mentre può essercene più d uno negli altri due stati, organizzati in code nei sistemi time-sharing, il tempo è suddiviso tra i processi: c è uno scambio di esecuzione se non ci sono pause dovute all i/o. creazione pronto in esecu zione scambio esecuzione I/O terminato, risorsa disponibile terminazione richiesta I/O o risorsa in attesa

14 Come si realizza il multitasking gestione dei processi: operazioni necessarie per ricordare e gestire lo stato di ogni processo immagine di un processo: codice + dati (stato di avanzamento) tabella dei processi: informazioni su tutti i processi (descrittori) cambio di contesto: avviene ogni volta che il processo in esecuzione viene fermato e ne viene eseguito un altro scheduling del processore: come scegliere il prossimo processo da mandare in esecuzione? massimizzando l uso del processore; massimizzando il numero di processi eseguiti; minimizzando il tempo di attesa dei processi; Garantendo buoni tempi di risposta (time sharing)

15 Problematiche di concorrenza Problemi che nascono con la presenza di più processi in esecuzione. Starvation: un processo non riesce mai ad accedere a una risorsa Esempio: nel caso di scheduling con priorità, un processo a bassa priorità potrebbe non riuscire mai a guadagnare la CPU Deadlock: più processi bloccati a vicenda (situazione di vincolo circolare) Esempio: il processo P1 ha ottenuto l accesso esclusivo alla stampante S, ma è in attesa di poter accedere al disco D (dove risiedono i dati da stampare), che è però a sua volta controllato in maniera esclusiva dal processo P2. P2 rilascerà D solo dopo essere riuscito a ottenere l accesso a S. Stampante S Processo P1 Processo P2 Disco D 15

16 Comunicazione fra processi Scambio di dati fra processi: Mediante uno spazio di memoria comune (shared memory) Mediante scambio di messaggi Sincronizzazione: Metodi per il controllo degli eventi (semafori) Esempio: un processo P1 deve attendere che P2 abbia prodotto determinati risultati prima di iniziare una determinata elaborazione Processo P2 Processo P1 16

17 Processi e threads Processi Non condividono memoria tra di loro Threads Si tratta di una tipologia di processi che condividono l immagine di memoria Adatti alle applicazioni di rete Vantaggi Protezione dei dati. Svantaggi cambio di contesto costoso l immagine di un processo include: Stato di avanzamento Stato della memoria Non c e condivisione dei dati Vantaggi Condivisione dati Basso costo del cambio di contesto Non si considera lo stato della memoria. Svantaggi Più difficili da programmare. Sincronizzazione su memoria condivisa.

18 Gestione della memoria centrale Problema: se più processi devono essere eseguiti contemporaneamente, in qualche modo devono condividere la memoria principale Altro problema: se più processi devono utilizzare la memoria, si pone il problema di come non sovrapporre/danneggiare dati entrambi i problemi sono validi anche per i processi di sistema, che sono sempre in memoria e sempre attivi, e devono essere protetti dai processi utente Viene data ai processi una visione astratta della memoria, che permette di usare virtualmente tutta la memoria anche se condivisa con altri processi, ed a volte anche più di quella presente fisicamente. Memoria virtuale: Ogni processo ha associato uno spazio di memoria logico e contiguo. L allocazione reale sulla memoria fisica usa tecniche sofisticate ad esempio la paginazione.

19 Gestore della memoria centrale (1) Spazio virtuale di indirizzamento I processi possono ignorare l effettiva collocazione fisica del codice e dei dati in memoria Rende molto più semplice l esecuzione contemporanea di più processi Protezione della memoria I dati e le istruzioni dei programmi vengono protette, in modo che nessun altro processo possa leggerle o modificarle Condivisione della memoria Permettere, in modo controllato, la parziale sovrapposizione degli spazi di memoria dei vari processi Comunicazione fra processi Minore ridondanza di dati e istruzioni 19

20 Paginazione Memoria reale: suddivisione della memoria principale tra i processi partizioni multiple con allocazione contigua allocazione non contigua pagine (stessa lunghezza) o segmenti Una tecnica comune è la paginazione, la memoria di un processo è divisa in pagine che vengono caricate quando necessario in modo non contiguo swapping demand paging SO SO SO P1 P2 P3 scambio esecuzione P2 P1 SO P1 P2 P1 P3 P2 memoria secondaria P1 P3 P2

21 Memoria virtuale La quantità di memoria centrale è spesso insufficiente Swapping Il contenuto di parte della memoria centrale viene trasferito in un area della memoria di massa (area di swap), in modo da liberare spazio in memoria centrale Solo i processi presenti in memoria centrale sono messi in esecuzione È necessario periodicamente trasferire alcuni processi da disco in memoria e viceversa 21

22 Gestione delle periferiche Periferiche astratte Le caratteristiche fisiche delle periferiche e le operazioni di I/O che le coinvolgono vengono mascherate agli utenti e ai programmi Vengono esposte un insieme di primitive di livello più alto per leggere e scrivere i dati sulle periferiche Ogni programma si trova a operare con periferiche virtualmente dedicate solo ad esso: le problematiche legate ai conflitti di accesso vengono gestite dal sistema operativo Periferica virtuale... Periferica virtuale... Periferica virtuale... Periferica virtuale... CPU virtuale CPU virtuale Memoria BUS 22

23 La gestione delle periferiche (dispositivi) Ogni periferica ha un processore dedicato che interagisce con il microprocessore del computer. Ciascuna periferica ha un suo driver (programma che la gestisce). Modelli di interazioni (i dispositivi sono tipicamente più lenti di un processore). Interruzioni. Polling. DMA (direct memory access) per i dispositivi a blocchi (dischi, schede di rete).

24 Gestore delle periferiche Driver: Programmi per la gestione delle periferiche Appartengono al sistema operativo, ma spesso sono realizzati e forniti dai produttori delle periferiche Nascondono al programma applicativo (e al resto del S.O.) l effettiva modalità con cui avviene lo scambio dei dati con le periferiche, che è in genere diversa per ogni tipo di dispositivo Processo P Primitive di comunicazione con una generica stampante Sistema Operativo Primitive di comunicazione con generico driver stampante Primitive di comunicazione con generico driver stampante Driver D1 Driver D2 Stampante S1 Comandi specifici per il tipo di stampante S1 Stampante S2 Comandi specifici per il tipo di stampante S2 24

25 Gestore delle periferiche Installazione dei driver A carico dell utente, configurando opportunamente il driver In modo automatico : Plug&Play Le periferiche del sistema vengono analizzate dal sistema (all avvio o quando una nuova periferica viene collegata) I driver opportuni vengono selezionati e installati Le periferiche devono essere predisposte per il plug&play, ossia devono farsi riconoscere dal sistema operativo Nella pratica le cose sono molto più complicate e, specialmente nei primi tempi (anni 96-99), si verificavano spesso numerosi problemi, per cui diversi utenti hanno rinominato tale tecnologia Plug&Pray... 25

26 La gestione del File System Organizza la memoria di massa un computer (hard disks). Visione gerarchica dello spazio di lavoro. Concetti di file e directory (cartelle). Meccanismi di protezione e condivisione

27 Il livello chiamate di sistema Essenziale per il funzionamento del sistema operativo. Permette ai programmi applicativi di interagire ed usufruire delle funzionalita' offerte dal sistema operativo. Esempi: creare file e cartelle, utilizzare memoria, avviare processi, comunicare in rete.

28 Reti di calcolatori Definizioni di base

29 Telecomunicazioni L area delle telecomunicazioni riguarda Trasmissione di voce e video Comunicazione di dati (Data Communication) In questo caso almeno una delle due parti è un computer Queste due sotto aree stanno convergendo Telecomunicazioni Voce e video Comunicazi one di dati

30 Una definizione di rete Una rete di calcolatori è un insieme di componenti hardware, software e di trasmissione che tutti insieme rendono possibile la comunicazione tra due programmi applicativi che risiedono su due computer diversi connessi alla rete.

31 Elementi principali di una rete Applicazione Frame Applicazione Una rete permette di connettere applicazioni eseguite su Calcolatori diversi

32 Cosa è un applicazione Applicazione: un qualsiasi programma eseguito su un computer che ha qualche compito. Alcune applicazioni sono nate per essere eseguite in rete (browsers: mozilla, firefox, safari, internet explorer). Altre sono prevalentemente eseguite in locale, ad esempio Microsoft word o excel. Un FRAME o PACCHETTO: messaggio spedito in rete normalmente composto da alcune centinaia o migliaia di byte.

33 Computer in rete (host): clienti e serventi Frame host cliente Identifichiamo con il termine host computer e altri dispositivi come telefoni cellulari e PDAs host servente host portatile host servente

34 Comunicazione : scambio di messaggi Frame Client host Gli host comunicano Scambiandosi messaggi Chiamati Frame. Server host Mobile Client host Server host

35 Switches: i nodi intermedi della rete Frame Switch Switch Switch Switch I Frames per raggiungere la loro Destinazione possono passare attraverso diversi switches; Uno switch legge I Frame che riceve E li manda avanti verso la destinazione

36 Connessione alla rete Dei collegamenti di accesso (access link) Connettono i nodi al primo switch collegamento di accesso Normalmente sono cavetti di rame Sempre più spesso collegamenti radio collegamento di accesso collegamento di accesso collegamento di accesso

37 Connessioni tra switch Collegamento intermedio Collegamento intermedio Dei collegamenti Intermedi (trunk link) connettono I diversi switches Di solito hanno una capacità maggiore degli access links Usualmente fibre ottiche Collegamento intermedio Coll. Int. Collegamento intermedio

38 Principali elementi di una rete Applicazioni Hosts (Computer, cellulari, PDA) Frames o (Pacchetti) Switches Collegamenti di accesso (access link) Collegamenti intermedi (trunk link)

39 Applicazioni di rete Programmi che funzionano in rete Accesso remoto via interfaccia Web Sfruttano il potere della rete Architettura client/server Peer to peer

40 Architettura Cliente/Servente Client PC Di solito ci sono due tipi di host Clienti e Serventi Server servizio Clients ricevono servizi rete Servers forniscono servizi

41 Client/Server Application Client PC Client PC Client PC Client PC Client PC Advantage: Central Control Disadvantages: Network Overload at Server Underused Client Power Central Control Server Does Heavy Processing Work

42 Simple Peer-to-Peer (P2P) Application Request Client PC Response Client PC Benefits: End User Freedom No Network Bottleneck at Serve Uses Client Capacity Better Problems: Transient Presence of Clients Transient Client IP Addresses Security (No Central Control)

43 P2P Applications Direct service, although some P2P systems use facilitating servers for some of the work Peer Peer Peer Peer Peer Peer