Politecnico di Milano. Corsi di Informatica Grafica. Prof. Manuel Roveri Dipartimento di Elettronica e Informazione

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1 Sistemi Operativi ed interazione con HW e CAD Corsi di Informatica Grafica Prof. Manuel Roveri Dipartimento di Elettronica e Informazione

2 Indice Il Sistema Operativo Software di sistema e applicativo Architettura di un sistema operativo Classificazione dei sistemi operativi Bootstrap Panoramica dei principali sistemi operativi MS DOS, MS Windows, UNIX, Linux, BSD, Mac OS Interazione tra SO, HW e CAD Un esempio pratico: la grafica computerizzata 2

3 Software: di sistema e applicativo Di sistema: controlla il comportamento del sistema stesso il più importante dei software di sistema è il sistema operativo: controlla le risorse del sistema fornisce la base su cui costruire tutti gli altri programmi Applicativo: risolve i problemi dell utente, appoggiandosi sullo strato fornito dal sistema operativo 3

4 Il sistema operativo Con il termine sistema operativo si intende l insieme di programmi e librerie che opera direttamente sulla macchina fisica mascherandone le caratteristiche specifiche e fornendo agli utenti un insieme di funzionalità di alto livello 4

5 Sistemi Operativi MS-DOS MS-Windows (95, 98, 2000, XP, Vista) Unix Commerciali: Sun Solaris, IBM AIX, HP-UX, Linux BSD Mac OS Mac OS X Altri (IBM AS/400, Symbian, ) 5

6 Architettura di un S.O. - 1 Un moderno S.O. è organizzato secondo una architettura a strati (a cipolla) Ogni strato implementa una macchina virtuale più potente del precedente Appoggiandosi alle funzionalità offerte dallo strato precedente Tale approccio permette una chiara separazione tra interfaccia e implementazione delle diverse funzionalità Ogni strato è costituito da un insieme di programmi e librerie I meccanismi di chiamate tra livelli possono essere diversi chiamate a sottoprogrammi, interruzioni sincrone o asincrone, invio di messaggi a processi 6

7 Architettura di un S.O. - 2 Programmi utente Interfacce utente Interprete dei comandi Interfaccia grafica Gestore del file system Gestori di risorse (kernel) Gestore delle periferiche Gestore della memoria Gestore dei processi (nucleo) Macchina fisica

8 Il Nucleo Si appoggia direttamente sulla macchina fisica Effettua la gestione dei processi In un sistema multitasking realizza una macchina virtuale in cui ad ogni processo è assegnata un processore virtuale Comprende i principali programmi di risposta ad interruzione Realizza le primitive di sincronizzazione e scambio messaggi tra processi 8

9 Il Nucleo La macchina virtuale realizzata dal nucleo Processore virtuale Processore virtuale... Processore virtuale Bus di sistema Disco Memoria centrale Interfaccia delle periferiche 9

10 Il gestore della memoria Il gestore della memoria Realizza le funzionalità di allocazione della memoria Supera i limiti della memoria fisica e mostra ai processi uno spazio di memoria virtuale Partiziona la memoria tra i vari processi che la richiedono Garantendo la protezione delle diverse zone di memoria 10

11 Il gestore della memoria La macchina virtuale realizzata dal gestore della memoria Memoria virtuale Memoria virtuale... Memoria virtuale Processore virtuale Processore virtuale... Processore virtuale Bus di sistema Disco Interfaccia delle periferiche 11

12 Il gestore delle periferiche Il gestore delle periferiche Maschera le caratteristiche fisiche delle periferiche Fornisce agli strati superiori un insieme di procedure di alto livello per l accesso alle diverse periferiche Offre ad ogni processo la visibilità di un insieme di periferiche virtuali dedicate Gestisce, almeno in parte, i malfunzionamenti delle periferiche 12

13 Il gestore delle periferiche La macchina virtuale realizzata dal gestore delle periferiche Memoria virtuale Interfaccia periferiche virtuali Memoria virtuale Interfaccia periferiche virtuali Bus Processore virtuale... Bus Processore virtuale Bus di sistema Disco 13

14 Il gestore del file system Il gestore del file system E responsabile della gestione delle periferiche di massa Hard disk CD / DVD Memory stick USB... Fornisce agli strati superiori un insieme di procedure per l accesso al file system Garantisce la protezione nell accesso ai file 14

15 Il gestore del file system Le funzioni di base che sono supportate da un file system sono Il recupero di dati precedentemente memorizzati L eliminazione di dati obsoleti La modifica/aggiornamento di dati preesistenti La copia di dati Tra supporti di memorizzazione diversi (ad es. da HD a CD) In cartelle diverse nello stesso supporto 15

16 Il gestore del file system I dati contenuti nella memoria di massa vengono strutturati e gestiti mediante una organizzazione in file Un file è un contenitore logico identificato da un nome (filename) I filename generalmente sono composti da due parti ad es. curriculum_vitae.doc Il filename vero e proprio (curriculum_vitae) L estensione (doc) 16

17 Il gestore del file system L estensione è spesso associata al programma che ha generato il file e individua pertanto la tipologia del contenuto del file.exe file eseguibili.txt file di testo.doc documenti di testo (MS Word).wav file audio.dwg file di... Ad ogni file sono poi associati dal sistema operativo altri dati Data di creazione / modifica Lunghezza del file (in byte) Utenti/Gruppi che possono accedere ai file 17

18 Il gestore del file system I file vengono suddivisi in più contenitori logici, chiamati directory, cataloghi o cartelle (folders) Le cartelle sono organizzate secondo una struttura ad albero Il file system contiene una directory detta radice dell albero che può contenere file o altre cartelle Ciascun file è individuato univocamente dal suo nome completo o percorso assoluto Ad es. D:\downloads\temp\002.part Due file con lo stesso nome in due cartelle distinte, ad esempio D:\Immagini\Compleanno\foto1.jpg D:\Documenti\foto1.jpg fanno riferimento a due file che in generale possono essere DIVERSI 18

19 Il gestore del file system D: Documenti Downloads Temp Incoming

20 Il gestore del file system La macchina virtuale realizzata dal gestore del file system Memoria virtuale Interfaccia periferiche virtuali File... File Memoria virtuale Interfaccia periferiche virtuali File... File Bus... Bus Processore virtuale Processore virtuale Bus di sistema 20

21 L interprete dei comandi e l interfaccia grafica L interprete comandi e l interfaccia grafica Costituiscono l interfaccia verso l utente Consentono l interazione dell utente con il s.o. e con i programmi applicativi in esecuzione Permettono di accedere ai programmi conservati su memoria di massa e mandarli in esecuzione allocando la memoria necessaria e creando il processo relativo Nel caso di un sistema multiutente forniscono ai diversi utenti la visione di una macchina virtuale dedicata 21

22 Una possibile classificazione dei moderni S.O. Sistemi monotask: Permettono l esecuzione di un solo programma utente per volta (es. DOS) Il computer a disposizione del programma dall inizio alla fine della sua esecuzione Coda dei job, gestita FIFO (first in, first out) e/o con priorità Sistemi multitask Permettono l esecuzione di più programmi utente contemporaneamente Classificazione ulteriore: Multitasking cooperativo (Windows 3.1, MacOS) Multitasking preemptive (Windows 95/98/NT, Unix) Time sharing o meno 22

23 Svantaggi dei sistemi monoprocessore mono-tasking Nessuna interazione utente-programma Lentezza: la CPU non può essere usata da nessun processo mentre il programma in esecuzione svolge operazioni di I/O (molto piu lente di letture/scritture in Memoria) Esempio: DOS è un SO monotasking; non si può fare niente altro mentre si formatta un floppy o si memorizzano dati su disco 23

24 Multitasking (time sharing) Ripartizione del tempo di CPU tra tutti i processi che la vogliono Ogni job rimane in esecuzione solo per un quanto di tempo, poi l esecuzione passa al prossimo job e il primo va in attesa Esecuzione globale più veloce Durata del quanto di tempo tra 100 e 200 millisecondi granularità molto fine A ciascun utente sembra di avere la CPU tutta per lui, solo più lenta 24

25 Stati di un processo Inizio esecuzione Selezione primo processo pronto e sua esecuzione Processi pronti Processo in esecuzione Termine quanto di tempo Richiesta di operazione di I/O Completamento operazione di I/O (evento esterno atteso) Processo in attesa 25

26 Attesa Se il processo richiede operazioni ad altri dispositivi (es. Operazioni di I/O), la CPU rimarrebbe inutilizzata lo scheduler mette il processo in stato di attesa, il dispatcher sceglie un nuovo processo tra i pronti dalla tabella, quando l operazione sarà finita, lo scheduler dichiarerà di nuovo pronto il processo Permette un utilizzo molto più efficiente delle risorse di elaborazione Esempio: durante la digitazione di un documento di testo, l utente compie molte pause per riflettere sul contenuto che sta scrivendo questo tempo è usato dal sistema per compiere altre operazioni in contemporanea (ad es. gestire la ricezione di ) 26

27 Sistemi mono e multi-processore Time sharing in sistemi mono-processore: multi-tasking (più programmi in esecuzione con una sola CPU) Sistemi multiprocessore: le varie CPU possono lavorare contemporaneamente su job diversi ciascuna CPU opera in multi-tasking 27

28 Bootstrap: avvio del SO All inizio, la CPU ha in indirizzo fissato nel registro contatore di programma, che punta all indirizzo nella ROM (Read Only Memory) ove inizia il programma di bootstrap che è sempre memorizzato lì L esecuzione del programma di bootsrap trasferisce il kernel del Sistema Operativo da una parte prestabilita della memoria di massa (hard-disk, floppy-disk, CD-Rom, ) in memoria principale Quindi l esecuzione prosegue con un salto all area di memoria principale contenente il Sistema Operativo (che quindi viene mandato in esecuzione) Tra le prime operazione del kernel del Sistema Operativo vi sono tipicamente quelle di caricamento di altri componenti software: driver delle periferiche installate programmi di sistema lanciati automaticamente all avvio 28

29 Bootstrap 29

30 MS-DOS Sviluppato dalla Microsoft nel 1981 per il PC IBM Adottato da altri con PC IBM-compatibili Molto limitato: mono-utente, mono-tasking Circa 50 comandi per il SO: DIR per vedere il contenuto di una directory COPY per copiare file DEL per cancellare un file REN per cambiare il nome a un file CD per muoversi in un altra directory MD per creare nuove directory RD per cancellare directory Nome file: per eseguire il file (se eseguibile) 30

31 MS Windows Elementi principali Interfaccia grafica Mouse che sposta un cursore Cut & paste (copia e incolla) Drag & drop (trascina e lascia) Icone associate a file, directory, dischi, Directory come cartelle Pulsanti Finestre: cornici con strumenti Menu di comandi 31

32 Breve storia di windows 1/2 Nel 1980 la Microsoft era una piccola società con 40 dipendenti, che fatturava 8 milioni di dollari. Bill Gates venne contattato dall'ibm, che in quel periodo dominava il mercato degli elaboratori mainframe ed aveva appena iniziato la realizzazione di un personal computer, per scrivere un nuovo sistema operativo. Nasce così l'ms DOS ed esplode il boom del computer per tutti. Due anni dopo Bill Gates annuncia la nascita di una prima versione di Windows (1982). Non è un sistema operativo, ma una semplice interfaccia grafica attaccata al DOS molto rozza. Gli utenti cominciano a prendere confidenza con questa nuova dimensione. A maggio, nel 1990, viene lanciato Windows 3.0 e un anno dopo esce Windows 3.1. Nel '94 il fatturato è di 4,65 miliardi di dollari. Nel '95 viene lanciato Windows 95 e i dollari salgono a quasi 6 miliardi. Internet Explorer comincia ad insidiare la posizione di leader tra i browser di Netscape. Infine nel '98 esce la nuova versione di Windows (Windows 98) e nel frattempo la crescita del sistema operativo di rete, Windows NT, si consolida fino a creare serie minacce a ben più blasonati sistemi. 32

33 Breve storia di windows 2/2 Il successore di windows NT è Windows Windows 2000 compare in due versioni: la Professional e la Server. La prima è la soluzione ideale per applicazioni desktop mentre la seconda per la gestione e l amministrazioni di reti, domini, ecc. Con il nuovo millennio si registra l uscita del nuovo Windows Millennium Edition (ME), praticamente un Windows 98 SE rivisto nella grafica, potenziato a livello di funzioni multimediali e nel quale fa la sua definitiva scomparsa il buon vecchio DOS. Alla fine del 2002 viene presentato Windows XP nelle versioni Home, Professional e Server. La prima prenderà il posto di Windows ME mentre le altre due sostituiranno le analoghe versioni di Windows Windows XP presenta un interfaccia completamente ridisegnata, un ottimo supporto alle periferiche attualmente sul mercato e una grande supporto ai prodotti multimediali non ultimi i videogame grazie all integrazione diretta delle DirectX. Nel 2006 è stata rilasciato Windows Vista. Tra le principali novità: pieno supporto dei processori a 64 bit (funziona però anche a 32 bit); nuovo motore per l interfaccia grafica; funzionalità avanzate di ricerca dei documenti archiviati; maggiore protezione rispetto agli attacchi informatici. Nel 2009 arriva Windows

34 Unix Sistema Operativo: multi-utente, multi-tasking, con time-sharing Nato negli anni 60 con un progetto congiunto AT&T e MIT Concepito per poter funzionare su diverse piattaforme hardware con adattamenti limitati Interprete dei comandi: shell testuale più di 300 comandi, con opzioni Disponibilità di interfaccia grafica (finestre, mouse, etc.) messa a disposizione da un insieme di moduli separati (sistema X Window) 34

35 Linux Linux è una delle molte varianti di Unix con la peculiarità di essere open source (= il cui codice sorgente è liberamente disponibile) La sua nascita è dovuta in parte alle restrizioni imposte da AT&T all uso di del codice sorgente di UNIX per la didattica: hanno indotto Andy Tanenbaum allo sviluppo di MINIX, un implementazione di UNIX per scopi didattici MINIX ha ispirato Linus Torvalds a realizzare una propria implementazione del kernel UNIX Il kernel sviluppato da Linus è stato combinato con una suite di programmi UNIX, sviluppati nell ambito del progetto GNU (iniziativa che ha originato il movimento open source), per formare la prima distribuzione di Linux e renderla disponibile su Internet come software open source Oggi esistono innumerevoli distribuzioni di Linux, distinte per diverse combinazioni di kernel, interfacce grafiche (le più note sono Gnome e KDE) e programmi di utilità. 35

36 Linux Gnome KDE 36

37 MAC OS-X MAC OS-X è l ultima generazione di S.O. per i personal computer prodotti da Apple Abbandonato il precedente sistema operativo Apple ha costruito la nuova generazione del proprio S.O. a partire da una variante di BSD, chiamata Darwin, che rimane open source A questo nucleo, Apple ha aggiunto componenti proprietari, dall interfaccia grafica (Aqua) ad una suite di applicazioni e utilities. GUI Kernel, gestori di risorse e servizi di base Architettura MAC OS-X Applicazioni 37

38 Un esempio pratico: la grafica computerizzata Interazione tra HW, SO e CAD 38

39 Un esempio pratico: la grafica computerizzata Hard Disk RAM Monitor Sistema Operativo Sistema Operativo Desktop File di salvataggio Accensione del computer 39

40 Un esempio pratico: la grafica computerizzata (2) Hard Disk RAM Monitor Sistema Operativo Sistema Operativo File di salvataggio Dati di Frame Buffer Finestra di Display window Attivazione Programma 40

41 Un esempio pratico: la grafica computerizzata (3) Hard Disk RAM Monitor Sistema Operativo Sistema Operativo File di salvataggio Dati di Frame Buffer Line X1Y1-X2Y Finestra di Display window Generazione di una linea 41

42 Un esempio pratico: la grafica computerizzata (4) Hard Disk RAM Monitor Sistema Operativo Sistema Operativo File di salvataggio Dati di Frame Buffer Finestra di Display window Line X1Y1-X2Y2 Circle X0Y0-R Generazione di un cerchio 42

43 Un esempio pratico: la grafica computerizzata (5) Hard Disk RAM Monitor Sistema Operativo Sistema Operativo File di salvataggio Dati di Frame Buffer Finestra di Display window Line X1Y1-X2Y2 Circle X0Y0-R0 Line X1Y1-X2Y2 Circle X0Y0-R Salvataggio su file 43

44 Un esempio pratico: la grafica computerizzata (6) Hard Disk RAM Monitor Sistema Operativo Sistema Operativo File di salvataggio Line X1Y1-X2Y2 Circle X0Y0-R0 Dati di Frame Buffer Circle X0Y0-R Finestra di Display window Rimozione della linea 44

45 Un esempio pratico: la grafica computerizzata (7) Hard Disk RAM Monitor Sistema Operativo Sistema Operativo File di salvataggio Circle X0Y0-R0 Dati di Frame Buffer Circle X0Y0-R Finestra di Display window Salvataggio su file 45

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