Il Sistema Operativo Ing. Agnese Pinto. Fondamenti di Informatica CDL in Ingegneria Meccanica- A.A

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1 Il Sistema Operativo Ing. Agnese Pinto CDL in Ingegneria Meccanica- A.A

2 Il sistema operativo(so) E uno strato software che opera direttamente sull hardware Isola gli utenti dai dettagli dell hardware fornendo funzionalità di alto livello Mono-utente o multi-utente: Il SO deve garantire che ogni utente avverta la macchina come dedicata E organizzato a strati: Architettura a buccia di cipolla Ogni strato costituisce una macchina virtuale: Una macchina che maschera le caratteristiche di una macchina hardware ed offre ai suoi utenti delle funzionalità Una macchina che esporta funzionalità all esterno senza mostrare i propri meccanismi implementativi: struttura modulare del SO

3 Architettura del sistema operativo Programmi utente Interprete comandi attivazione programmi d utente o di sistema File system controllo e gestione degli accessi a file Gestione delle periferiche gestione di ingresso/uscita da periferica Gestione della memoria allocazione e gestione della memoria Gestione dei processi gestione dei processi e delle interruzioni Kernel Macchina fisica

4 Funzioni del sistema operativo Il gestore dei processi è responsabile dell esecuzione dei programmi da parte dell unità di elaborazione gestisce l esecuzione contemporanea di molti processi reagisce agli eventi esterni offre la visione di un unità di elaborazione dedicata a ciascun utente Il gestore della memoria ha la funzione di allocare la memoria e partizionarla tra i vari programmi offre la visione di una memoria dedicata a ciascun utente I driver sono responsabili delle operazioni di ingresso/uscita che coinvolgono le periferiche Il file system è responsabile della gestione dei file in memoria di massa fornisce all utente funzioni di alto livello per operare sui file L interprete comandi usa gli strati sottostanti per: accedere al programma in memoria di massa tramite file system allocare la memoria e caricarvi il programma tramite gestore della memoria attivare un processo, tramite il nucleo

5 Obiettivo del SO Ottimizzare le prestazioni del sistema informatico determinando le politiche migliori di gestione delle risorse sotto il suo controllo Attività necessarie: gestire l eventuale sovraccarico di richieste ridurre il tempo di attesa dell utente in condizioni di carico complessivo elevato

6 Gestione dei processi Processo: esecuzione (oggetto dinamico) di un programma (oggetto statico) Un processo P è una coppia di elementi (E, S) E: codice eseguibile del programma S: stato del processo (insieme di tutti i valori contenuti nella memoria centrale e nei registri della CPU, in particolare il PC) Lo stesso programma può essere associato a più processi b(assenza di corrispondenza biunivoca): Un programma può essere scomposto in varie parti e ognuna di esse può essere associata ad un diverso processo Lo stesso programma può essere associato a diversi processi quando diverse copie del medesimo processo sono mandate in esecuzione Alcuni linguaggi di programmazione (concorrenti) prevedono l esecuzione di un programma in più processi L unità di elaborazione che esegue i processi prende nome di processore nel contesto dei SO (in generale vi possono essere n processori, ma ne supporremo uno solo)

7 Classificazione dei processi in esecuzione: eseguiti istante per istante dal processore (uno solo nelle nostre ipotesi) pronti: possono andare immediatamente in esecuzione se il gestore dei processi lo decide in attesa: attendono il verificarsi di un evento esterno per passare in stato di pronto

8 Interruzioni interne (TRAP) Il processo di esecuzione richiede un operazione di I/O: l esecuzione del processo si sospende il processo passa dallo stato in esecuzione allo stato in attesa il nucleo diviene attivo Sono eventi sincroni rispetto alle attività del processore Corrispondono all esecuzione di una istruzione detta chiamata a supervisore(svc, supervisor call) che fa passare il processore dall esecuzione di un processo utente all esecuzione di un processo di sistema operativo Bloccano il processo in esecuzione per evitare l attesa di un operazione di I/O prima della prosecuzione

9 Interruzioni interne: context switching Sospensione: il processo sospeso deve poter riprendere esattamente nello stato al momento dell interruzione interna, per cui c è necessità di: salvataggio del contesto al momento dell interruzione: copia del contenuto dei registri del processore nell area di memoria specifica descrittore del processo ripristino del contesto prima di rimandare in esecuzione il processo: copia del descrittore di processo nei registri del processore Scelta del processo pronto da avviare al posto di quello sospeso Esecuzione del nuovo processo pronto: ripristino del suo contesto ed esecuzione dell istruzione contenuta nel registro Program Counter

10 Interruzioni esterne (INTERRUPT) Causano il passaggio di un processo da stato di attesa (dovuto a sospensione per interruzione interna) a stato di pronto Si verificano quando la periferica ha terminato di eseguire l operazione e chiede la sospensione del processo in esecuzione per il completamento dell operazione di I/O al fine di trasformare in pronto il processo in attesa Sono eventi asincroni rispetto alle attività del processore Vengono segnalate al processore tramite il registro delle interruzioni(intr): ha varie posizioni corrispondenti alle possibili interruzioni, segnalate da un bit posto ad 1(se l evento non è presente il bit rimane a 0 per convenzione) la CPU verifica la presenza di un interruzione calcolando l OR dei bit di registro INTR tramite circuiti elettronici

11 Interruzioni esterne: gestione Il nucleo: salva il contesto del programma attivo che passa da stato in esecuzione a stato di pronto richiama il sottoprogramma gestore delle interruzioni che esegue le operazioni necessarie a far fronte alla particolare interruzione dopo la gestione dell interruzione sceglie uno dei programmi in stato di pronto e lo manda in esecuzione

12 Processi: passaggi di stato Interruzioni interne(passaggio da esecuzione a in attesa) Interruzioni esterne(passaggio da in esecuzione a pronto) Evento esterno atteso(passaggio da in attesa a pronto) Processo pre-empted: sospeso dal nucleo dopo un certo intervallo temporale per garantire un uso paritario della CPU(passaggio da in esecuzione a pronto) Processo aborted: interrotto e terminato forzatamente dal nucleo a seguito di un errore(da in esecuzione a terminato)

13 Passaggi di stato: diagramma stato/trasizioni Interruzione esterna, fine quanto di tempo Inizio esecuzione Processo in esecuzione Primo processo pronto Processo pronto Interruzione interna Processo in attesa Evento esterno atteso Fine esecuzione Abort per errore

14 Gestione dei processi della CPU OBIETTIVO programma utente eseguito entro un tempo approssimativamente proporzionale alla sua complessità Politica più semplice: rotazione dei processi (ROUND ROBIN): si assegna il processore ad un processo per un quanto di tempo T esecuzione programma>> q.d.t.>> context switching dopo il quanto di tempo il processo viene interrotto di autorità e passato nei processi pronti fine della coda dei processi pronti si gestisce una coda di processi pronti con strategia FIFO (First In First Out) Risultato: T attesa ~ alla lunghezza del programma e al numero di operazioni I/O richieste programmi brevi favoriti nel completamento massimizzazione del throughput di sistema n programmi completati nell unità di tempo

15 Gestione dei processi della CPU: politiche alternative Gestione delle priorità: si crea una coda dei processi pronti per ogni livello di priorità si preleva sempre il primo processo della coda a priorità più alta Scenario applicativo: sistemi di sicurezza Problema: attesa troppo lunga per priorità basse Soluzione: cambio dinamico della priorità in base allo stato

16 Sincronizzazione Coordinamento delle attività di diversi processi: coordinamento sequenziale: un processo termina invocando l attivazione di un altro processo (coordinamento semplice) coordinamenti complessi: competizione: due processi vogliono accedere simultaneamente a una medesima risorsa (risorsa critica) cooperazione: un processo ha bisogno dell altro per evolvere Fanno uso di variabili condivise (semafori) per l accesso a parti critiche dei programmi e della comunicazione esplicita tra processi tramite scambio di messaggi.

17 Gestione della memoria centrale gestione processi concorrenti presenza molti programmi in memoria centrale; MM diventa una risorsa unica, in generale scarsa, da suddividere tra i vari programmi Problemi connessi con la gestione della memoria: Per allocare i programmi in memoria è necessario rilocarli : Rilocare: trasformare gli indirizzi logici, presenti nei programmi, in indirizzi fisici (l uso degli indirizzi logici consente il caricamento del programma in porzioni di memoria differente).

18 Meccanismi di gestione Paginazione: il gestore della memoria la considera partizionata in pagine, che occupano aree contigue di dimensione fissata i programmi vengono partizionati in pagine e allocati in un numero intero di pagine Segmentazione: durante la compilazione un programma viene frazionato in parti che svolgono differenti funzioni la dimensione dei segmenti è variabile perché essi sono semanticamente significativi il gestore della memoria può caricare in maniera indipendente i segmenti NON sono tecniche alternative. Spesso sono applicate contemporaneamente

19 La memoria virtuale Sia nel caso della paginazione, sia in quello della segmentazione, il gestore della memoria offre al programma applicativo la visione di una memoria virtuale La dimensione della memoria virtuale (v ) può essere maggiore di quella fisica (p) : è sufficiente allocare più pagine o segmenti di quelli che possono stare contemporaneamente in p (quelli non caricati in MM rimangono disponibili in memoria di massa, dove programmi e dati sono organizzati in file): i programmi con dimensione s>p possono essere eseguiti se s<v in questo caso gli indirizzi del programma (s Mb) sono riferiti alla memoria virtuale di (v Mb) quindi: i registri fisici devono potere indirizzare tutta la memoria virtuale il gestore della memoria converte gli indirizzi virtuali in fisici

20 Gestione dei processi e della memoria La gestione della memoria è coordinata con la gestione dei processi: le pagine e i segmenti di programma che sono attualmente in esecuzione o che contengono dati attualmente indirizzati devono risiedere in MM se una pagina o un segmento necessari ad un processo in esecuzione non si trovano in MM, il processo viene sospeso e passa in stato di attesa dopo l operazione di input da memoria di massa della pagina o segmento il processo torna ad essere pronto

21 Rilocazione: La catena di programmazione 1. Il compilatore trasforma un modulo di programma sorgente in un modulo di programma oggetto; trasforma le variabili locali ai moduli in indirizzi rilocabili 2. Il linker trasforma diversi moduli oggetto in un unico programma eseguibile collega il programma utente a librerie di programmi di utilità trasforma le variabili esterne a tutti i moduli in indirizzi rilocabili 3. Il loader carica il programma eseguibile in memoria se il programma ha indirizzi assoluti il loader non ha margini di intervento se il programma ha indirizzi rilocabili il loader si occupa della rilocazione

22 La rilocazione Rilocazione statica: All atto del caricamento in memoria Trasforma il codice: indirizzi rilocabili indirizzi assoluti Registro base Rilocazione dinamica: Non comporta una conversione del codice Richiede l utilizzo di due registri speciali: Il registro base contiene il valore dell indirizzo della prima cella di memoria a partire dalla quale il programma è stato caricato Il registro dimensione contenente la dimensione del programma; permette di verificare che l indirizzo generato dal programma rientri nello spazio indirizzabile + Indirizzo rilocabile Indirizzo calcolato

23 Protezione della memoria Per ogni processo area di memoria Per garantire la corretta esecuzione di ogni processo è necessario garantire la separazione delle aree di memoria assegnate ai processi Ogni area di memoria ha dei limiti (BASE DIMENSIONE) Processo area di memora base e dimensione Se un processo richiede la lettura o scrittura di un dato che non rientra nei limiti dell area di memoria a cui il processo è associato, viene terminato. Obiettivo: -sicurezza dei dati di ogni processo -sicurezza dell esecuzione degli altri processi

24 Modo S e modo U La memoria è suddivisa in: Memoria di modo S (supervisore): contiene i programmi di sistema operativo (possono usare tutte le istruzioni del calcolatore, possono essere allocati in memoria in maniera ottimale,devono essere protetti da errori procurati da altri programmi) e le strutture dati da esso utilizzate Memoria di modo U (utente): contiene i programmi utente

25 Utente o Sistema Se il processore sta eseguendo un processo utente: Lo si dice attivo in modo utente (in modo U) può accedere soltanto alla memoria di modo U Se il processore sta eseguendo un processo di sistema: E attivo il nucleo Si dice attivo in modo supervisore (in modo S) Può accedere alla memoria di modo S e di modo U Può eseguire istruzioni privilegiate

26 Gestione delle periferiche Per gestire una periferica, il sistema operativo utilizza i driver Deve esistere quindi un determinato driver per ogni periferica da gestire La gestione delle periferiche in un sistema multitasking è una attività insidiosa perchè necessario gestire correttamente errori di I/O indispensabile adottare corrette politiche di utilizzo affinchè non si acceda a risorse attualmente in uso da un altro processo non si verifichino situazioni di blocco irreversibile

27 I driver Sono meccanismi software cui è affidato il compito di comunicare dati da e verso le periferiche Garantiscono ai programmi che li usano una visione di alto livello E possibile leggere o scrivere tramite primitive indipendenti dalla struttura hardware delle periferiche Si distingue fra: Driver fisici (hardware): Vengono attivati direttamente dal gestore delle interruzioni Driver logici (software): Fanno parte del sistema operativo e forniscono una gerarchia di operazioni, con un organizzazione a strati

28 Il file system Consente di gestire i file sulla memoria di massa: Creare un file Dargli un nome Collocarlo in un opportuno spazio nella memoria di massa Accedervi in lettura e scrittura Gestione dei file indipendente dalle caratteristiche fisiche della memoria di massa I file vengono inclusi all interno di directory (o cataloghi): Hanno una tipica organizzazione ad albero Alcuni sistemi operativi permettono una struttura a grafo (un file può appartenere a più directory)

29 La struttura ad albero

30 Organizzazione dei file A ciascun utente è normalmente associata una directory specifica, detta home directory, che ha lo stesso nome dell utente Il livello di protezione di un file indica quali operazioni possono essere eseguite da ciascun utente Ciascun file ha un pathname (o nome completo) che include l intero cammino dalla radice dell albero: nome unico Il contesto di un utente all interno del file system è la directory in cui correntemente si trova

31 File System: funzioni disponibili agli utenti creazione di file creazione di directory elencazione dei file cambiamento del contesto copia di un file visualizzazione di un file rinominazione di un file cancellazione di file o directory

32 Interprete dei Comandi (o shell) Fornisce l'interfaccia con l'utente che attraverso di esso può inviare comandi al sistema operativo (ad esempio lettura dalla memoria di massa, creazione ed attivazione di un processo, allocazione di memoria centrale, caricamento di un programma in memoria centrale ecc.). L'interfaccia dell'interprete con l'utente può essere di tipo testuale oppure grafico.

33 L'interfaccia verso l'utente dell'interprete dei comandi può essere molto diversa: nel caso più semplice (e vecchio) l'interprete dei comandi del sistema operativo si aspetta un comando testuale dal terminale (esempio DOS) nel caso più moderno l'interfaccia è di tipo testuale (Windows di Microsoft, MacOS di Apple, Linux): l'interprete dei comandi propone sullo schermo un menu di comandi selezionabili mediante il mouse, che permette anche di manipolare icone disposte su una scrivania virtuale (desktop). I sistemi operativi moderni (Windows, MacOS, Linux) permettono il multitasking, ovvero permettono l'uso della CPU ad un programma alla volta per brevi intervalli di tempo, così che l'utente vede più programmi eseguiti contemporaneamente. Quando questo non è possibile si parla di sistemi monotasking.