Software. Elementi di Informatica. Sistema Operativo (SO) Categorie di Software. Un Po di Storia - 2. Un Po di Storia - 1

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1 Università degli Studi di Udine Facoltà di Ingegneria CORSO DI LAUREA IN SCIENZE dell ARCHITETTURA Elementi di Informatica Sistemi Operativi D. Gubiani Il software è l insieme dei programmi che possono essere eseguiti su un sistema di elaborazione Un programma è una sequenza di istruzioni elementari che possono essere eseguite dal sistema di elaborazione Ogni programma lavora su un insieme di informazioni (input) e fornisce dei risultati (output) 11 aprile 2011 D. Gubiani Sistemi Operativi 1 D. Gubiani Sistemi Operativi 2 Categorie di Sistema Operativo (SO) Il software viene suddiviso in due categorie: - software di base: dedicato alla gestione delle funzioni elementari dell elaboratore - software applicativo: dedicato alla soddisfazione di particolari esigenze dell utente Il sistema operativo è il componente principale del software di base Il sistema operativo (SO) è il programma che gestisce le varie risorse fisiche dell elaboratore svolgendo diversi compiti che dipendono dalla complessità del particolare SO Un SO opera su due livelli - gestisce le risorse del sistema di elaborazione - fornisce l interfaccia uomo-macchina D. Gubiani Sistemi Operativi 3 D. Gubiani Sistemi Operativi I SO trovano origine verso la fine degli anni 40 I primi SO erano dei sistemi dedicati - erano in grado di gestire un solo programma per volta completamente residente in memoria e a cui venivano destinate tutte le risorse - supportava operazioni di assemblaggio, caricamento, inizializzazione e terminazione di programmi e la gestione si semplici operazioni di I/O Verso la fine degli anni 50 nascono i sistemi a lotti (o batch) - raccolgono i lavori (job) presentati da diversi utenti e li eseguono in rapida successione - eliminano i tempi morti provocati dal caricamento manuale - i lavori continuano a dover essere autonomi Verso gli anni 60 cercando di eliminare i tempi morti del processore nascono i sistemi a partizione di tempo (o time sharing) - assegna il processore ad un altro lavoro ogniqualvolta quello in elaborazione dovesse fermarsi in attesa che si concluda un operazione di I/O, per poi riprenderlo appena possibile - scaricamento e caricamento dei programmi in memoria appesantisce il lavoro del SO Un immediato passo avanti con l introduzione dei sistemi a quanto di tempo (o time slice) - assegna il processore a turno ai diversi lavori per un certo tempo D. Gubiani Sistemi Operativi 5 D. Gubiani Sistemi Operativi 6

2 - 3-4 Arrivarono poi i sistemi multiprogrammati - consentono la presenza simultanea di più programmi in memoria - nascono problemi di protezione e condivisione I sistemi in tempo reale (real time) sono quei sistemi in cui sono richiesti rigidi vincoli di tempo sull esecuzione dei processi o sul flusso dei dati Le macchine virtuali sono quei sistemi che danno all utente l impressione di avere a disposizione tutte le risorse di cui necessitano le quali sono simulate servendosi delle risorse del calcolatore reale I sistemi interattivi, diversamente da quanto avviene per i sistemi batch, danno all utente la possibilità di condurre un vero e proprio colloquio con il sistema in modo da poter seguire e apportare le modifiche necessarie durante l evoluzione dei vari passi Infine, i sistemi distribuiti danno la possibilità di distribuire l esecuzione dei processi su diversi elaboratori fisici e di condividere fra questi diverse risorse D. Gubiani Sistemi Operativi 7 D. Gubiani Sistemi Operativi 8 Classificazione di SO: Lavori Classificazione di SO: Interfaccia - 1 A seconda del numero di lavori che possono eseguire contemporaneamente Monotasking - un solo lavoro alla volta - esempi: sistemi dedicati, a lotti Multitasking - elaborano più lavori in contemporanea - esempi: sistemi time-sharing, time-slice In base al metodo con cui l utente interagisce con la macchina, attraverso quella che viene detta interfaccia uomo-macchina Ad interfaccia testuale - l utente dà i comandi alla macchina attraverso linee di comando (stringhe di caratteri) - poca memoria, velocità elevata, completezza dei comandi a disposizione - difficoltà nel ricordare i comandi - esempi: MS-DOS D. Gubiani Sistemi Operativi 9 D. Gubiani Sistemi Operativi 10 Classificazione di SO: Interfaccia - 2 Ad interfaccia grafica (GUI) - l utente dà i comandi alla macchina attraverso la selezione dell immagine legata all operazione richiesta - facilità d uso, trasparenza rispetto all hardware - pesantezza del sistema, disponibilità comandi graduale - esempi: Windows Ad interfaccia fisica - l utente da i comandi alla macchina tramite movimenti di componenti fisici - semplicità di attivazione dei comandi - limitatezza e personalizzazione delle funzionalità messe a disposizione - esempi: robot utilizzati nelle fabbriche Le funzionalità (componenti) di un SO sono diverse: - gestione dei processi - gestione della memoria centrale - gestione della memoria secondaria - gestione del sistema di I/O D. Gubiani Sistemi Operativi 11 D. Gubiani Sistemi Operativi 12

3 Gestione dei Processi (o dell Unità di Elaborazione) - 1 Gestione dei Processi (o dell Unità di Elaborazione) - 2 Un processo può essere pensato come un programma in esecuzione Per svolgere i propri compiti, un processo necessita di alcune risorse - tempo di processore - memoria - file - dispositivi di I/O Il SO, nella componente gestore dei processi, si occupa di: - creare e cancellare processi (utente e di sistema) - sospendere e ripristinare processi - fornire meccanismi per la sincronizzazione dei processi - fornire meccanismi per la comunicazione fra processi - fornire meccanismi per la gestione dei deadlock D. Gubiani Sistemi Operativi 13 D. Gubiani Sistemi Operativi 14 Processi - 1 Processi - 2 Un processo è qualcosa di più del semplice codice di un programma - attività attuale indicata dal PC (Program Counter) - contenuto dei registri del processore - stack dei dati temporanei - dati che contengono variabili globali In linea di principio ad ogni programma viene associato un processo ma in certi contesti un programma potrebbe essere suddiviso in più processi D. Gubiani Sistemi Operativi 15 D. Gubiani Sistemi Operativi 16 Stati dei Processi - 1 Stati dei Processi - 2 Un processo attraversa diversi stati Gli stati possono essere così descritti: - Running: il processo è in esecuzione - Waiting: il processo è in attesa di qualche evento esterno (e.g., completamento operazione di I/O); non può essere eseguito - Ready: il processo può essere eseguito, ma attualmente il processore è impegnato in altre attività Un solo processo per volta occupa il processore Gli altri processi possono o essere pronti per andare in esecuzione o essere in attesa del termine di qualche operazione di I/O D. Gubiani Sistemi Operativi 17 D. Gubiani Sistemi Operativi 18

4 Esecuzione dei Processi - 1 Esecuzione dei Processi - 2 Il processo può essere così sintetizzato: - quando il processo entra nel sistema viene messo nella coda dei processi - i processi che risiedono in memoria e sono pronti per essere eseguiti vengono messi nella lista dei processi pronti (ready queue) - dalla lista dei processi pronti i processi passa in esecuzione per un certo tempo, finchè termina, o viene interrotto, o resta in attesa di un altro evento Diversi processi possono rimanere in attesa che uno stesso dispositivo (es. disco) gli venga assegnato e ogni dispositivo ha la propria coda D. Gubiani Sistemi Operativi 19 D. Gubiani Sistemi Operativi 20 Esecuzione dei Processi - 3 Scheduling dei Processi Durante l esecuzione di un processo si alternano - periodi di attività svolte dalla CPU (CPU burst) - periodi di attività di I/O (I/O burst) I processi caratterizzati da - CPU burst molto lunghi si dicono CPU bound - I/O burst molto lunghi si dicono I/O bound Lo scheduler è il componente incaricato di selezionare i processi dalle code - a lungo termine: seleziona i processi dalla coda dei processi e li carica in memoria (ready queue) - a breve termine: seleziona i processi dalla ready queue e li alloca alla CPU D. Gubiani Sistemi Operativi 21 D. Gubiani Sistemi Operativi 22 Scheduler a Breve Termine - 1 Scheduler a Breve Termine - 2 Ogni volta che il processore resta inattivo seleziona un processo dalla ready queue e glielo alloca Diversi criteri possono essere considerati - utilizzo di CPU: la CPU deve essere più attiva possibile (max) - throughput: numero di processi che completano la loro esecuzione per unità di tempo (max) - tempo di turnaround: tempo impiegato per l esecuzione di un determinato processo (min) - tempo di attesa: tempo durante il quale un processo si è trovato nella coda ready (min) - tempo di risposta: tempo che intercorre tra la sottomissione di una richiesta e la prima risposta prodotta (min) Esistono diversi algoritmi di scheduling a breve termine - sch. First-Come, First-Served (FCFS) - sch. Short-Job-First (SJF) - sch. Round-Robin - sch. con priorità - sch. con code multiple - sch. con code multiple con feedback D. Gubiani Sistemi Operativi 23 D. Gubiani Sistemi Operativi 24

5 Algoritmo FCFS Algoritmo Round-Robin Il processo che arriva per primo, viene servito per primo (non preemtive) L implementazione è semplice e può essere fatta tramite una coda (politica FIFO) Gli svantaggi dell algoritmo sono gli elevati tempi medi di attesa e di turnaround e il fatto che i processi CPU bound ritardano i processi I/O bound E basato sul concetto di quanto di tempo (o time slice) in quanto un processo non può rimanere in esecuzione per un tempo superiore alla durata del quanto di tempo La durata del quanto di tempo è un parametro critico del sistema - se il quanto di tempo e breve, il sistema è meno efficiente perchè deve cambiare il processo attivo più spesso - se il quanto è lungo, in presenza di numerosi processi pronti ci sono lunghi periodi di inattività di ogni singolo processo D. Gubiani Sistemi Operativi 25 D. Gubiani Sistemi Operativi 26 Sincronizzazione e Sistemi Multiprocessore Gestione della Memoria Centrale - 1 Il gestore dei processi deve anche occuparsi della sincronizzazione dei processi Nei sistemi multiprocessore ha anche il compito di gestire il flusso dei processi ai vari processori La memoria centrale, come la CPU, è una risorsa limitata che deve essere suddivisa tra i vari processi in competizione Un programma per essere eseguito deve risiedere in memoria centrale Per migliorare l utilizzo della CPU è necessario che diversi processi siano caricati in memoria Il SO deve occuparsi del modo in cui i singoli processi devono occupare la memoria centrale D. Gubiani Sistemi Operativi 27 D. Gubiani Sistemi Operativi 28 Gestione della Memoria Centrale - 2 Binding Il gestore della memoria centrale è responsabile di diverse attività - tener traccia delle parti di memoria occupata e da chi - decidere quali processi caricare in memoria quando c è spazio disponibile - allocare e deallocare spazio in memoria Con il termine binding si indica l associazione di indirizzi di memoria ai dati e alle istruzioni di un programma Il binding può avvenire - durante la compilazione: gli indirizzi restano gli stessi ad ogni esecuzione - durante il caricamento: gli indirizzi vengono aggiornati ad ogni caricamento in memoria - durante l esecuzione: gli indirizzi sono individuati nel momento in cui avviene l esecuzione D. Gubiani Sistemi Operativi 29 D. Gubiani Sistemi Operativi 30

6 Indirizzi Logici e Indirizzi Fisici Allocazione della Memoria Indirizzi logici: gli indirizzi utilizzati dai processi Indirizzi fisici: riferiti alla memoria fisica Ad ogni indirizzo logico corrisponde un indirizzo fisico L allocazione della memoria è una delle funzioni principali del gestore della memoria Consiste nel reperire e assegnare uno spazio di memoria fisica D. Gubiani Sistemi Operativi 31 D. Gubiani Sistemi Operativi 32 Tipi di Allocazione della Memoria - 1 Tipi di Allocazione della Memoria - 2 CONTIGUA: tutto lo spazio assegnato a un processo deve essere formato da celle consecutive NON CONTIGUA: è possibile assegnare a un processo aree di memoria separate STATICA: un processo deve mantenere la propria area di memoria dal caricamento alla terminazione DINAMICA: durante l esecuzione un processo può essere spostato da un area ad un altra D. Gubiani Sistemi Operativi 33 D. Gubiani Sistemi Operativi 34 Tipi di Allocazione della Memoria - 3 Allocazione a Partizioni Fisse A PARTIZIONI FISSE: la memoria (quella non occupata dal SO) viene suddivisa in partizioni fissate a priori A PARTIZIONI DINAMICHE: la memoria viene partizionata sulla base dei processi che ne fanno richiesta Nei sistemi monotasking esiste una sola partizione e un processo per volta viene in esso caricato Nei sistemi multitasking ogni processo viene caricato in una delle partizioni libere con dimensioni sufficienti per contenerlo - se un processo occupa una dimensione minore della partizione ad esso assegnata c è spreco di spazio (problema della frammentazione interna) D. Gubiani Sistemi Operativi 35 D. Gubiani Sistemi Operativi 36

7 Allocazione a Partizioni Dinamiche - 1 Allocazione a Partizioni Dinamiche - 2 La memoria disponibile viene assegnata, nella quantità richiesta, ai processi che ne fanno richiesta È un allocazione statica e contigua Problema della frammentazione esterna: dopo un certo numero di allocazioni e deallocazioni lo spazio risulta suddiviso in piccole aree - lo spazio complessivamente libero potrebbe contenere un processo ma non esiste un area contigua per contenerlo D. Gubiani Sistemi Operativi 37 D. Gubiani Sistemi Operativi 38 Allocazione a Partizioni Dinamiche - 3 Paginazione - 1 Soluzione: compattazione - operazione onerosa La paginazione è una tecnica introdotta con l obiettivo di eliminare i problemi della frammentazione - riduce la frammentazione interna - elimina la frammentazione esterna Lo spazio logico e quello fisico vengono divisi in blocchi di uguale dimensione, dette pagine (spazio logico) e frame (spazio fisico) Ad ogni pagina viene associato un frame D. Gubiani Sistemi Operativi 39 D. Gubiani Sistemi Operativi 40 Paginazione - 2 Paginazione - 3 D. Gubiani Sistemi Operativi 41 D. Gubiani Sistemi Operativi 42

8 Memoria Virtuale Gestione della Memoria Secondaria - 1 Spesso succede che solo una parte di un processo sia inserita in memoria Quando sono necessarie altre informazioni queste vengono caricate, eventualmente scaricando quelle esistenti In questo modo gli utenti hanno l impressione di avere a disposizione più memoria di quella reale e si parla di memoria virtuale Dal momento che la memoria centrale è troppo piccola per mantenere tutti i dati e i programmi, c è la necessità di disporre del supporto della memoria secondaria I programmi rimangono in memoria secondaria fino al caricamento in memoria centrale La memoria secondaria viene utilizzata sia come sorgente che destinazione D. Gubiani Sistemi Operativi 43 D. Gubiani Sistemi Operativi 44 Gestione della Memoria Secondaria - 2 File System Il gestore della memoria secondaria è responsabile di diverse attività - gestione dello spazio libero - allocazione dello spazio - scheduling del disco Il file system fornisce il meccanismo per la memorizzazione e l accesso di dati e programmi Consiste di due parti - collezione di file - struttura di directory Alcuni file system prevedono le partizioni D. Gubiani Sistemi Operativi 45 D. Gubiani Sistemi Operativi 46 File - 1 File - 2 Un file è un insieme di informazioni correlate e registrate nella memoria di massa In generale un file è formato da una sequenza di bit, byte, record... il cui significato è definito dal creatore Ogni file ha associato un nome Per supportare la gestione dei tipi di file il nome dei file è in genere suddiviso in due parti nome.estensione estensione tipo di file.exe.com file eseguibili.bat file batch.txt documenti di testo.doc.mdb.xls.ppt documenti del pacchetto Office.htm.html pagine web (documenti html).jpg.gif.png.eps.bmp immagini.mid.mp3.wav audio D. Gubiani Sistemi Operativi 47 D. Gubiani Sistemi Operativi 48

9 File - 3 File - 4 Altri attributi dei file sono la locazione, la dimensione, la data e ora di creazione... Operazioni di base sui file - creazione - scrittura - lettura - cancellazione D. Gubiani Sistemi Operativi 49 D. Gubiani Sistemi Operativi 50 File - 5 Struttura di Directory - 1 I file memorizzano informazioni che al momento dell utilizzo è necessario poter accedere e leggere Diversi metodi di accesso - accesso sequenziale (nastri) - accesso diretto (dischi) - accesso mediante indice (database) La directory registra le informazioni (nome, posizione, dimensione, tipo) di tutti i file contenuti in memoria secondaria È una tabella di simboli che traduce i nomi dei file nelle informazioni in essa contenuti Operazioni principali - ricerca di un file - creazione di un file - cancellazione di un file - listare un file - rinomina di un file - attraversamento del file system D. Gubiani Sistemi Operativi 51 D. Gubiani Sistemi Operativi 52 Struttura di Directory - 2 Struttura ad Albero Diverse sono le possibili strutture di una directory - a singolo livello - a due livelli - ad albero - a grafo aciclico - a grafo generale D. Gubiani Sistemi Operativi 53 D. Gubiani Sistemi Operativi 54

10 Struttura a Grafo Aciclico Partizioni Il file system può essere molto grande ed alcuni sistemi operativi permettono la suddivisione in partizioni Una partizione consiste in una suddivisione logica della memoria secondaria Ogni partizione contiene le informazioni sui file in essa contenuti che vengono mantenuti nella directory del dispositivo D. Gubiani Sistemi Operativi 55 D. Gubiani Sistemi Operativi 56 Protezione Affidabilità del Sistema Operativo La protezione delle informazioni è un elemento fondamentale nella gestione delle informazioni La protezione può essere - contro danni fisici - contro l accesso improprio La protezione contro i danni fisici può essere tradotta in termini di affidabilità del sistema operativo In genere è assicurata dalla presenza di più copie dei file Il backup è la procedura di copia di uno o più file della memoria secondaria per eseguire operazioni di reinstallazione e/o ripristino D. Gubiani Sistemi Operativi 57 D. Gubiani Sistemi Operativi 58 Protezione contro l accesso improprio - 1 Protezione contro l accesso improprio - 2 La protezione contro l accesso improprio può essere considerata come la protezione vera e propria Il problema della protezione nasce nei sistemi multi utente e deriva dalla possibilità di accedere alle risorse di un elaboratore data a diversi utenti I meccanismi utilizzati limitano i possibili tipi di accesso negando o permettendo l esecuzione delle diverse operazioni L approccio più comune prevede l accesso a seconda dell identità dell utente Viene implementato associando una lista di accesso ad ogni file o directory Quando un utente richiede l accesso ad un file, il SO controlla se è incluso nella lista associata a quel file e se presente lo autorizza, altrimenti nega l accesso Problema: lunghezza della lista Soluzione: per condensare la lista molti sistemi raggruppano gli utenti in tre gruppi (proprietario, gruppo, universo) D. Gubiani Sistemi Operativi 59 D. Gubiani Sistemi Operativi 60

11 Gestione del Sistema di I/O Driver - 1 Uno degli scopi del SO è di nascondere all utente le specifiche fisiche degli specifici dispositivi hardware Un driver è un particolare programma che racchiude tutte le informazioni necessarie alla gestione di una particolare periferica Per ogni dispositivo deve esserci un particolare deriver - stampante, monitor, tastiera,... Il driver deve gestire la comunicazione di segnali da e verso la periferica e coordinare l accesso alla risorsa Deve assicurare la corretta gestione degli errori e la gestione dei deadlock D. Gubiani Sistemi Operativi 61 D. Gubiani Sistemi Operativi 62 Driver - 2 Gestione della Stampante La comunicazione fra elaboratore e stampante è particolarmente critica a causa dei diversi tempi di elaborazione delle operazioni fra le due unità Lo SPOOL (Simultaneous Peripheral Operating On Line) è la parte del SO che si occupa di ottimizzare la comunicazione D. Gubiani Sistemi Operativi 63 D. Gubiani Sistemi Operativi 64