Sistemi Operativi 1. Mattia Monga. 6 marzo Dip. di Informatica e Comunicazione Università degli Studi di Milano, Italia

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1 1 Dip. di Informatica e Comunicazione Università degli Studi di Milano, Italia mattia.monga@unimi.it 6 marzo c 2007 M. Monga. Creative Commons Attribuzione-Condividi allo stesso modo 2.5 Italia License.

2 Informazioni sul corso

3 Lezione I: Introduzione

4 La macchina di Von Neumann

5 La macchina i386 Registri a 32 bit EAX, EBX, ECX, EDX, ESI, EDI, EBP, ESP, EIP, EFLAGS Registri a 16 bit: CS, DS, SS, ES, FS, GS Real e Protected mode

6 Linguaggio macchina Si possono indirizzare direttamente porzioni di 8 bit, 1 byte (AX = AH+AL, EAX = 16bit+AX) Real mode: memoria max 2 20 byte, indirizzo ottenuto con due registri a 16 (DS:OFFSET) indirizzo = 16 selettore + offset Protected mode: memoria max 2 32 byte Programmable Interrupt Controller (PIC): i8259 compatibile

7 Assembly NASM, PC Assembly Language, by Paul A. Carter 1 mov eax, 3 ; store 3 into EAX register (3 is immediate operand) 2 mov bx, ax ; store the value of AX into the BX register 3 add eax, 4 ; eax = eax add al, ah ; al = al + ah 5 L8 db A ; byte initialized to ASCII code for A (65) 6 mov al, [L8] ; copy byte at L1 into AL

8 virtuale Qemu PC (x86 or x86 64 processor) i440fx host PCI bridge and PIIX3 PCI to ISA bridge Cirrus CLGD 5446 PCI VGA card PS/2 mouse and keyboard 2 PCI IDE interfaces with hard disk and CD-ROM support Floppy disk NE2000 PCI network adapters Serial ports PCI UHCI USB controller and a virtual USB hub.

9 Protezioni hardware I processori moderni hanno modalità di funzionamento in cui sono permesse operazioni diverse (ring), p.es. indirizzare tutta la memoria. i386 permette 4 ring diversi, di cui normalmente vengono usati solo 2: 1 supervisor (kernel) mode 2 user mode

10 I/O Ogni periferica è dotata di un controller. Il controller avrà registri che conservano lo stato della periferica. Come accedere (leggere o scrivere) al contenuto dei registri? 1 Spazi di indirizzamento separati chiamati port. Vi si accede con istruzioni particolari: out port, eax in eax, port 2 Memory-mapped I/O, lo spazio di indirizzamento è unico mov [address], eax mov eax, [address]

11 Interruzioni Un interruzione (interrupt request (IRQ)) è un segnale (tipicamente generato da una periferica, ma non solo) che viene notificato alla CPU. La CPU, secondo le politiche programmate nel PIC, risponderà all interruzione eseguendo il codice del gestore dell interruzione (interrupt handler). Dal punto di vista del programmatore la generazione di un IRQ è analoga ad una chiamata di procedura, ma: Il codice è completamente disaccoppiato, potenzialmente in uno spazio di indirizzamento diverso (permette le protezioni) Non occorre conoscere l indirizzo della procedura La tempistica dell esecuzione è affidata alla CPU

12 Sequenza di boot Cosa succede quando si accende un PC?

13 Sequenza di boot Cosa succede quando si accende un PC? 1 Inizia l esecuzione del programma contenuto nel firmware (BIOS)

14 Sequenza di boot Cosa succede quando si accende un PC? 1 Inizia l esecuzione del programma contenuto nel firmware (BIOS) 2 Il BIOS carica il programma contenuto nel boot sector

15 Sequenza di boot Cosa succede quando si accende un PC? 1 Inizia l esecuzione del programma contenuto nel firmware (BIOS) 2 Il BIOS carica il programma contenuto nel boot sector 3 Il programma di boot carica il

16 Sequenza di boot Cosa succede quando si accende un PC? 1 Inizia l esecuzione del programma contenuto nel firmware (BIOS) 2 Il BIOS carica il programma contenuto nel boot sector 3 Il programma di boot carica il 4 A questo punto il controllo della macchina è affidato al s.o., a cui dovranno essere richiesti i caricamenti di altri programmi

17 Programming the iron (1/2) 1 ;Copyright (C) 2007 by <mattia.monga@unimi.it> 2 bits 16 ; 16 bit real mode 3 org 0x7C00 ; origine indirizzo 0000:7C start: 6 mov ax, 0xb800 ; text video memory dest array index [ES:DI] 7 mov es, ax 8 mov di, 0 ; start of video memory 9 0 cld ; clears direction flag (index regs incremented) 1 mov ah, 0x0F ; attrib = white on black 2 mov si, msg 3 call message

18 Programming the iron (2/2) 5 6 message: 7 lodsb ; carica un byte da [DS:SI] in AL e inc SI 8 cmp al, 0 9 jz done 0 stosw ; memorizza una word da [ES:DI] in AL e inc SI 1 jmp message 2 done: ret msg db Hello world from the bare machine!!!, times 510 ($ $$) db 0 8 dw 0xAA55

19 BIOS (1/3) 1 ;Copyright (C) 2007 by <mattia.monga@unimi.it> 2 bits 16 ; 16 bit real mode 3 org 0x7C00 ; origine indirizzo 0000:7C start: 6 cld ; clears direction flag (index regs incremented) 7 mov si, boot 8 call message 9 working: 0 mov si, work 1 call message 2 3 call waitenter 4 jmp working

20 BIOS (2/3) 6 message: 7 lodsb ; carica un byte da [DS:SI] in AL e inc SI 8 cmp al, 0 9 jz done 0 mov ah, 0x0E ; write char to screen in text mode 1 mov bx, 0 ; BH page number BL foreground color 2 int 0x10 ; write AL to screen 3 jmp message 4 done: ret 5 6 boot: db Loading unuseful system..., 10, 13, 0 7 work: db I ve done my unuseful stuff!, 10, 13, 0 8 cont: db Hit ENTER to continue..., 10, 13, 0 9 wow: db Great! Hello world!, 10, 13, 0

21 BIOS (3/3) 1 waitenter: mov si, cont 2 call message 3 mov ah, 0 4 int 0x16 ; Wait for keypress 5 cmp al, m 6 jz egg 7 cmp al, b 8 jz basic 9 cmp al, 13 0 jnz waitenter 1 ret 2 egg: mov si, wow 3 call message 4 jmp waitenter 5 basic: int 0x18 6 hlt 7 8 times 510 ($ $$) db 0 9 dw 0xAA55

22 Sistema Operativo Un s.o. è un programma che rende conveniente l uso dello hardware fornendo astrazioni che semplificano l uso delle periferiche e della memoria gestendo opportunamente le risorse fra tutte le attività in corso

23 Astrazioni fornite dal s.o. Le principali sono: System call Memoria virtuale Processo File Shell

24 System call Una chiamata di (syscall) è la richiesta di un servizio al, che la porterà a termine in conformità alle sue politiche. Per il programmatore è analoga ad una chiamata di procedura. Generalmente viene realizzata con un interruzione software per garantire la protezione del s.o..

25 Memoria virtuale Il programmatore è libero di considerare un unico spazio di memoria, interamente dedicato al suo programma. Questo spazio può anche essere superiore alla memoria fisicamente disponibile. Minix fornisce una memoria virtuale divisa in segmenti: testo (codice), dati inizializzati, stack e heap.

26 Processo Programma Un programma è la codifica di un algoritmo in una forma eseguibile da una macchina specifica. Processo Un processo è un programma in esecuzione. Thread Un thread (filo conduttore) è il flusso di controllo sequenziale relativo ad un processo. Ogni processo dà vita ad almeno un thread. Ogni CPU in un dato istante può eseguire al piú un thread.

27 File Un file è un insieme di byte conservato sulla memoria di massa. Hanno associato un nome e altri attributi. In Minix i file sono organizzati gerarchicamente in directory (l equivalente dei folder di MS Windows), che non sono che altri file contenenti un elenco.

28 Shell La shell è l interprete dei comandi che l utente dà al. Ne esistono grafiche e testuali. In Minix, il default è una shell testuale ash, che fornisce i costrutti base di un linguaggio di programmazione (variabili, strutture di controllo) e primitive per la gestione dei processi e dei file.

29 MINIX Syscall (process mgt)

30 MINIX Syscall (segnali)

31 MINIX Syscall (file mgt)

32 MINIX Syscall (file mgt cont.)

33 MINIX Syscall (protection)

34 MINIX Syscall (time)

35 Link MINIX Edsger W. Dijkstra, My recollections of operating system design ewd13xx/ewd1303.pdf