IL SISTEMA OPERATIVO

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1 IL SISTEMA OPERATIVO... è l insieme dei programmi che rende agevole l uso dell hardware, mascherando le caratteristiche delle risorse fisiche (interfaccia) gestisce le risorse fisiche ottimizzandone l uso con opportune politiche (nucleo o kernel) INTERFACE KERNEL Hardware Si assume di riferirsi ad un sistema operativo che preveda l utilizzo di un sistema ad un unico processore da parte di più programmi-utente «contemporaneamente». In tal caso si assume che più programmi siano presenti in memoria. G. Piscitelli Politecnico di Bari pag. 1 di 14

2 L ESECUZIONE DI UN PROGRAMMA gestisce le varie fasi dell esecuzione di più programmi-utente. process manager job scheduler device manager memory manager file manager run complete submit hold ready wait ciclo di esecuzione process scheduler submit fase in cui viene richiesta l esecuzione del programma hold fase di incodamento delle richieste di esecuzione in attesa delle risorse necessarie (livello di multitasking, memoria, dispositivi, file) ready fase di attesa della risorsa CPU da parte dei processi run fase di utilizzo della CPU (un solo processo alla volta) wait fase di attesa di eventi (I/O, disponibilità di risorse condivise, completamento processi cooperanti, ecc.) complete fase di rilascio delle risorse G. Piscitelli Politecnico di Bari pag. 2 di 14

3 LA FUNZIONE DEL SISTEMA OPERATIVO produce l avanzamento delle richieste di esecuzione dei programmi. Dapprima le richieste sottoposte vengono raggruppate, costituendo la coda relativa allo stato di submit. Dopo l analisi delle risorse necessarie a soddisfare le richieste, esse vengono ordinate in relazione ai criteri di priorità (macroscheduling) del Job Scheduler, costituendo la coda relativa allo stato di hold. A partire dalla prima richiesta di esecuzione presente nella coda di hold, il Job Scheduler, chiamando i gestori delle varie risorse, verifica la disponibilità delle risorse necessarie e, dopo averne avuto conferma, attiva il Process Scheduler. Questo trasforma la richiesta di esecuzione in processo e costruisce un blocco di informazioni (Process o Task Control Block), che, progressivamente aggiornate, gli permetteranno di gestire il programma nel ciclo di esecuzione. Inizialmente il task viene immesso nella coda relativa allo stato di ready. La coda in questione è organizzata in relazione ai criteri di priorità (microscheduling) con cui il Process Scheduler ordina i vari task che abbisognano della sola CPU per essere eseguiti. Non appena la CPU si libera (o il rispetto delle priorità lo richiede), viene operato il cambio del contesto operativo (context switching) della CPU e un processo passa nello stato di run (ed uno passa in ready). L attesa di specifici eventi può costringere il S.O. a far transitare il processo nella coda corrispondente allo stato di wait. Dopo aver ciclato tra gli stati del ciclo di esecuzione, il processo arriva a conclusione e transita nella coda dello stato di complete. G. Piscitelli Politecnico di Bari pag. 3 di 14

4 JOB, JOB-STEP E TASK Un job è costituito da uno o più job-step (programmi) da eseguire in sequenza. Un job-step (o programma) è costituito da uno o più task (processi cooperanti) che operano «contemporaneamente» contendendo fra loro nell utilizzo dell unico processore, oltre che con gli altri processi costituenti gli altri programmi (processi concorrenti). stesso è costituito da processi che cooperano per rendere possibile l'esecuzione dei programmi. Un task è una attività elementare ed indipendente, con associate le risorse (memoria, file, dispositivi) richieste per la sua esecuzione. Ad ogni task è associato un Task Control Block (TCB) o Process Control Block (PCB). Quando un processo passa dallo stato di run allo stato di ready (o a quello di wait), il contenuto dei registri di CPU (contesto computazionale del task) viene copiato nel TCB: si dice che viene salvato il contesto del task. Quando successivamente il task ritornerà nello stato di run, il suo contesto sarà ripristinato nella CPU. Il TCB, oltre al contesto computazionale del task, contiene: la priorità del task; le risorse utilizzate dal task. G. Piscitelli Politecnico di Bari pag. 4 di 14

5 GESTIONE DEI PROCESSI Interruzioni interne (o trap): hanno carattere sincrono, in quanto il processo che lancia la trap va nello stato di wait provocando l'avvio di un processo del nucleo del sistema operativo (Supervisor Call o SVC). Interruzioni esterne (o interrupt): hanno carattere asincrono, in quanto al verificarsi di un evento, la sua occorrenza è segnalata alla CPU tramite un interrupt. Entra quindi in azione il nucleo del sistema operativo, che attiva il Gestore delle interruzioni (interrupt handler). Quest'ultimo esegue le operazioni richieste. Non sempre le interruzioni vengono servite immediatamente: interrupt masking o disabilitazione temporanea del servizio delle interruzioni. G. Piscitelli Politecnico di Bari pag. 5 di 14

6 POLITICHE DI ALLOCAZIONE DELLA CPU round robin la coda di READY è di tipo FIFO; il process scheduler assegna lo stesso time slice al processo correntemente primo in coda; round robin modificato ad ogni processo viene attribuita una priorità nella coda di READY inversamente proporzionale al tempo di RUN utilizzato in precedenza; priorità statica ad ogni processo viene attribuita una priorità, che il processo conserva per tutta la durata del ciclo di esecuzione; priorità dinamica la priorità del processo viene stabilita in base al suo merito, calcolato, al termine di un intervallo statistico T, in base al numero di volte che il processo ha completamente utilizzato il time slice assegnatogli. Processi orientati all esecuzione di operazioni logico-aritmetiche (CPU-bound) e processi orientati all esecuzioni di operazioni di input-output (I/O-bound). G. Piscitelli Politecnico di Bari pag. 6 di 14

7 STRUTTURA DEI SISTEMI OPERATIVI La struttura del S.O. può essere monolitica, quando esso è composto da un unico modulo che serve le richieste dei programmi-utente una alla volta; a livelli, se esso è articolato in diversi moduli, ciascuno dei quali svolge specifiche funzioni, ed ogni modulo può servire le richieste di più programmi-utente a macchina virtuale, se esso offre a ciascun programma-utente visibilità di un particolare hardware G. Piscitelli Politecnico di Bari pag. 7 di 14

8 I SISTEMI OPERATIVI A LIVELLI Programmi utente INTERFACCIA (Interprete di comandi o Shell) FILE SYSTEM DEVICE MANAGER CPU AND PROCESSES MANAGER (parte alta) MEMORY MANAGER CPU AND PROCESSES MANAGER (parte bassa) Hardware L Interfaccia comprende il Job Scheduler. I livelli tra l Interfaccia e l Hardware costituiscono il Nucleo. Ogni livello garantisce la gestione di una risorsa e comprende tutti i moduli che contribuiscono a svolgere tale compito. I moduli di un livello possono utilizzare moduli dei livelli sottostanti, ma non quelli dei livelli sovrastanti, mediante chiamate al Supervisore o primitive sincrone (trap o interrupt interni). Il Manager della CPU e dei processi (o Process Scheduler) è suddiviso in due parti: la parte alta comprende i moduli per la creazione/distruzione di processi e per la comunicazione tra processi; la parte bassa comprende i moduli per la sincronizzazione di processi. G. Piscitelli Politecnico di Bari pag. 8 di 14

9 SINCRONIZZAZIONE DEI PROCESSI Processi cooperanti e processi concorrenti condividono risorse. La condivisione, se non disciplinata, può comportare l insorgere di race-condition, cioè di situazioni in cui i risultati delle elaborazioni condotte dai processi dipendono dalla velocità relativa dei processi stessi. Esempi dell osservatore e del reporter, del produttore e del consumatore, del magazziniere e del commesso. La disciplina di accesso ad una risorsa condivisa si basa sull accesso mutuamente esclusivo alla risorsa da parte dei processi. La sezione critica di un processo. Il semaforo. Operatore di impegno della risorsa Sezione critica Operatore di rilascio della risorsa Risorsa condivisa risorsa già impegnata da P S A B C coda dei processi in attesa Gli operatori indivisibili wait ( o lock o P) e signal (o unlock o V). wait(s): if ( S <= 0) aggiungi il processo alla coda else S = S - 1; signal (S): if (coda su S non vuota) rendi ready il primo processo else S = S + 1; G. Piscitelli Politecnico di Bari pag. 9 di 14

10 STALLO (DEADLOCK) DEI PROCESSI Pur in presenza di un accesso disciplinato alle risorse, la concorrenza e cooperazione dei processi può determinare un altra condizione indesiderabile: lo stallo o deadlock. Esso si manifesta allorché due o più processi circolarmente detengono una risorsa (che non rilasciano o che non è requisibile dal sistema operativo) e ne richiedono un altra detenuta da un altro processo secondo le medesime modalità. R1 P3 P1 R3 R2 P2 Le tecniche per trattare lo stallo sono: di tipo preventivo, quando evitano che lo stallo si determini; di tipo curativo, quando individuano e rimuovono situazioni di stallo già determinatesi. G. Piscitelli Politecnico di Bari pag. 10 di 14

11 GESTIONE DELLA MEMORIA CENTRALE La condivisione della memoria tra più programmi. La rilocazione dei programmi: indirizzamento basato sul registro base ed il displacement. registro (3, 3250) indirizzo rilocabile (numero registro,displacement) MMU o traduttore dinamico indirizzi indirizzo assoluto Il compilatore e la creazione di indirizzi rilocabili. Il linker e la fusione di moduli separatamente compilati, con trasformazione in indirizzi rilocabili degli indirizzi simbolici delle variabili esterne. Il programma in formato eseguibile: il formato rilocabile, la dimensione, l entry point. Il caricatore (loader) e la rilocazione statica o dinamica. G. Piscitelli Politecnico di Bari pag. 11 di 14

12 POLITICHE DI GESTIONE DELLA MEMORIA Partizionamento statico: la memoria è suddivisa a-priori in parti di ampiezza predefinita, ciascuna delle quali ospita un programma. Partizionamento dinamico: la memoria è suddivisa in parti di dimensioni pari a quelle richieste dai programmi. Paginazione: il programma è suddiviso in pagine di ampiezza fissa e predefinita (2kbyte o multipli) e la memoria centrale è suddivisa in blocchi della stessa ampiezza, ciascuno dei quali ospita una pagina di un programma. Segmentazione: il programma è suddiviso in parti legate alla sua struttura (moduli, aree di dati) e la memoria centrale viene assegnata sì da ospitare i vari segmenti. Memoria virtuale paginata: alla normale paginazione si aggiunge un meccanismo che tende a caricare in memoria solo le pagine effettivamente richieste dall esecuzione del programma. Memoria virtuale segmentata: alla normale segmentazione si aggiunge un meccanismo che tende a caricare in memoria solo i segmenti effettivamente richiesti dall esecuzione del programma. G. Piscitelli Politecnico di Bari pag. 12 di 14

13 MMU NEL CASO DELLA PAGINAZIONE Mappa delle pagine del programma #P #B (2, 1200) indirizzo rilocabile (numero pagina, displacement) MMU o DAT #B*4096+displacement indirizzo assoluto G. Piscitelli Politecnico di Bari pag. 13 di 14

14 MMU NELLA PAGINAZIONE VIRTUALE Mappa delle pagine del programma IB=1 #B #P IB #B #E Mappa delle pagine non in memoria #E #C #T #S numero blocco #B in cui caricare la pagina consultazione mappa memoria numero cilindro numero traccia numero settore da cui caricare in memoria la pagina (2, 1200) MMU o DAT #B*4096+displacement indirizzo rilocabile (numero pagina, displacement) indirizzo assoluto G. Piscitelli Politecnico di Bari pag. 14 di 14