Sommario. Sistemi Informativi in Rete Introduzione. L informatica. L informatica: una definizione

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1 Sommario Sistemi Informativi in Rete Introduzione III Facoltà di Architettura Sede Bovisa Informatica: una definizione Richiami di architettura del calcolatore e di sistemi operativi Dal calcolatore alla rete Gianpaolo Cugola Dipartimento di Elettronica e Informazione cugola@elet.polimi.it cugola Gianpaolo Cugola 2 L informatica: una definizione L informatica L informatica è la scienza che si si occupa della rappresentazione dell informazione e della sua gestione Scienza approccio rigoroso e sistematico Informazione è parte di qualsiasi attività umana ed è centrale nella moderna società dell informazione Rappresentazione necessità di astrarre i concetti importanti da quelli trascurabili per poter modellare la realtà di interesse L informatico è innanzitutto un esperto di modelli Occorre studiare metodi di rappresentazione appropriati all elaborazione da parte di una macchina digitale Gestione uso e trasformazione dell informazione in maniera funzionale agli obiettivi Attraverso l inpiego di sistemi di elaborazione o sistemi informatici Gianpaolo Cugola 3 Gianpaolo Cugola 4

2 Sistema informatico Con il termine sistema informatico ci si riferisce a sistemi molto diversi Che vanno dal palmtop ad una rete geografica con milioni di nodi Studiare l architettura di un siffatto sistema significa individuarne i componenti e le loro relazioni Il nostro studio procederà identificando i diversi strati che identificano la macchina sistema informatico a partire dall HW di base Gli strati che compongono un sistema informatico Sistema traizionale Software applicativo Software di base (S.O.) hardware S.O. hardware Sistema distribuito Software applicativo S.O. di rete + middleware hardware rete S.O. hardware Gianpaolo Cugola 5 Gianpaolo Cugola 6 Tipologie di calcolatori - 1 Tipologie di calcolatori - 2 Esistono diversi tipi di calcolatori Handheld computer Di dimensioni molto limitate Usualmente privi di memorie di massa Personal computer Dotati di monitor e tastiera separati dall unità centrale Dotati di diversi dispositivi di memoria di massa interni o esterni all unità centrale N otebook Versione portatile del personal computer Usualmente dotata di caratteristiche inferiori in termini di potenza di calcolo e memorizzazione Workstation Versione potente dei personal computer Dotate di monitor di dimensioni superiori Per lo più orientate alle applicazioni grafiche o di CAD Spesso condivise da più utenti (non necessariamente in contemporanea) Mainframe Calcolatori di elevata potenza di calcolo e memorizzazione Orientati all elaborazione di dati per l intera azienda Condivisibili da più utenti in contemporanea Gianpaolo Cugola 7 Gianpaolo Cugola 8

3 Tipologie di S.O. Tipologie applicative N egli anni diversi S.O. hanno visto la luce I primi calcolatori non avevano un vero e proprio S.O. ma solo un sottile strato di sw di base che gestiva l accesso all hw Tipologie di S.O. Monoutente vs. multiutente Single tasking vs. multi tasking Principali S.O. oggi presenti sul mercato: DOS, Windows 9x, Windows NT, Unix (nei suoi cento dialetti), OS/ 2, MacOS,... Applicazioni numeriche Applicazioni gestionali Applicazioni per l automazione d ufficio Applicazioni telematiche Applicazioni di workgroup Applicazioni di automazione industriale CAD, CAM Applicazioni multimediali e di intrattenimento Gianpaolo Cugola 9 Gianpaolo Cugola 10 Architettura del calcolatore: il modello di Von Neumann Funzionamento della macchina di Von Neumann Tutte le diverse tipologie di calcolatori sono accomunati dalla medesima architettura logica Schematizzata dal modello di Von N eumann del calcolatore (CPU) Bus di sistema centrale Interfaccia delle Il processore estrae le istruzioni dalla memoria e le esegue Le istruzioni possono comportare operazioni di manipolazione dei dati Oppure operazioni di trasferimento dei dati I trasferimenti di dati attraverso elementi funzionali diversi avvengono attraverso il bus di sistema Le fasi di elaborazione si susseguono in modo sincrono rispetto ad un orologio di sistema Durante ogni intervallo di tempo l unità di controllo (parte del processore) stabilisce la funzione da svolgere L intera macchina opera in maniera sequenziale Gianpaolo Cugola 11 Gianpaolo Cugola 12

4 La memoria centrale - 1 La memoria centrale - 2 La memoria centrale è destinata ad accogliere dati e programmi sui quali opera il calcolatore Concettualmente è composta da una sequenza di celle ognuna delle quali contiene una parola (word) Ogni cella può essere acceduta direttamente (specificandone l indirizzo) per legg ere o scrivere (in un unico passo) il valore ivi contenuto Una parola è composta da un numero di bit che dipende dalla macchina Esempio: Pentium: 32, 80286: 16, PowerPC: 32, Ultra SPARC: 64 Le memorie in uso nei calcolatori moderni permettono l indirizzamento di un singolo byte oltre che di un intera parola (memorie byte-addressable) Il numero di bit che costituiscono l indirizzo di un byte all interno della memoria è caratteristico del microprocessore e identifica lo spazio di indirizzamento del microprocessore Esempio: Pentium 32 bit Avendo a disposizione k bit è possibile indirizzare 2 k byte Si ricorda che: 2 10 byte = 1 Kilo Byte 2 20 byte = 1 Mega Byte 2 30 byte = 1 Giga Byte 2 40 byte = 1 Tera Byte Gianpaolo Cugola 13 Gianpaolo Cugola 14 La memoria centrale - 3 Il bus di sistema La memoria centrale si chiama usualmente ram o memoria ad accesso casuale Viene cosi detta una memoria il cui tempo di accesso sia indipendente dall indirizzo della parola alla quale si vuole accedere Si tratta di una memoria volatile Altri tipi di memoria presenti in un calcolatore sono le rom Hanno caratteristiche generali simili alle ram Un tempo di accesso notevolmente maggiore Si tratta di memorie permanenti Sono tipicamente utilizzate per memorizzare quei dati e programmi che servono al momento dell accensione dell elaboratore, prima del caricamento del S.O. Il bus di sistema collega tra loro i vari elementi del calcolatore In ogni istante il bus è dedicato a collegare due unità, una trasmette ed una riceve Il processore seleziona la connessione da attivare e indica l operazione da svolgere (bus mastering) Il bus è suddiviso in tre insiemi di linee: Bus dati Bus indirizzi Linee di controllo: trasportano informazioni relative alla modalità di trasferimento e alla temporizzazione Esempio di uso del bus: scrittura di un dato presente in un registro del processore in memoria Gianpaolo Cugola 15 Gianpaolo Cugola 16

5 L interfaccia delle Periferiche: memorie di massa Si occupa della gestione dello scambio di dati tra processore e E possibile avere una interfaccia diversa per ogni periferica......ma è più logico avere delle interfacce standard per simili Esempi di interfacce standard: Interfaccia seriale RS-232-C (mouse, modem,...) Interfaccia PS2 (mouse, tastiera,...) Interfaccia USB (mouse, telecamere, stampanti, scanner,...) Interfaccia parallela Centronix (stampante, scanner,...) Interfaccia ISA (modem, schede audio,...) Interfaccia SCSI (hard-disk, CD-ROM, scanner,...) Interfaccia EIDE (hard-disk, CD_ROM,...) Gianpaolo Cugola 17 Con il termine memoria di massa ci si riferisce ad un dispositivo di memorizzazione permanente capace di contenere grosse quantità di dati Esiste un numero grandissimo di dispositivi di tale tipo Possibili categorizzazioni Dispositivi ad accesso sequenziale o casuale Dispositivi in sola lettura (RO), in lettura e scrittura (RW) o WORM (Write Once Read Many) Dispositivi magnetici, ottici o magneto-ottici Dimensioni tipiche delle principali memorie di massa odierne FDD: 1.44 MB CD_ROM: 650 MB DVD: 4 8 GB Hard-Disk: 4 70 GB Nastri: QIC80: 350 MB, DAT GB Gianpaolo Cugola 18 Memorie di massa: HD - 1 Memorie di massa: HD - 2 Schema di memorizzazione (creato in fase di formattazione di basso livello) Ogni superficie è divisa in tracce concentriche In ogni traccia i dati sono memorizzati in maniera sequenziale Ogni traccia è divisa in settori L insieme delle tracce omologhe poste sulle diverse facce è detto cilindro Esempio: il disco IBM Deskstar 25GP 5 dischi, 10 testine, cilindri (utente), 512 byte per settore Gianpaolo Cugola 19 Gianpaolo Cugola 20

6 Memorie di massa: HD - 3 Caratteristiche prestazionali di un HD Tempo di posizionamento (seek time): il tempo necessario a posizionare le testine sulla traccia richiesta Nell ordine di 8-10 ms Tempo di latenza o di rotazione (latency time): il tempo affinché il settore richiesto passi sotto la testina (dipende dalla velocità di rotazione del disco) Nell ordine di 2-4 ms Tempo di trasferimento: il tempo per trasferire i dati dal disco alla memoria In genere trascurabile Tempo di accesso (la somma dei tre tempi precedenti) Memorie di massa: gli array di dischi Per aumentare le prestazioni dei sistemi a disco è possibile raggruppare più dischi in un sistema RAID (Redundant Array of Inexpensive Disks) Il sistema RAID suddivide ogni file in blocchi registrati su dischi diversi per aumentare le prestazioni (data striping) Il sistema RAID viene anche utilizzato per incrementare l' affidabilità dei sistemi a disco attraverso un meccanismo di ridondanza Gianpaolo Cugola 21 Gianpaolo Cugola 22 Periferiche: terminali Periferiche: stampanti Caratterizzati da una tastiera, un video e, talvolta, un mouse o altri dispositivi di puntamento simili N ei PC e nelle workstation tali dispositivi sono integrati nello stesso calcolatore Video: caratteristiche salienti Dimensione: misura della diagonale in pollici Risoluzione: dimensione in pixel x pixel Dot pitch: dimensione del singolo punto in mm Frequenza di refresh ad una certa risoluzione: misurata in hz Gianpaolo Cugola 23 Permettono di stampare su carta i dati prodotti al calcolatore Caratteristiche salienti: Velocità: in ppm Risoluzione: in punti per pollice (DPI) Principali tipi di stampanti: A margherita (solo testo) Ad aghi A getto di inchiostro Laser A sublimazione Gianpaolo Cugola 24

7 Estensioni alla macchina di Von Neumann Uso di processori dedicati Uso di gerarchie di memorie Uso di canali di DMA per la gestione dell I/ O Uso di bus multipli... Gianpaolo Cugola 25 I processori dedicati All interno di un moderno calcolatore esistono, in realtà, numerosi processori che svolgono funzioni specifiche: Processori per la gestione dei canali di I/ O Processori grafici 2D e 3D Processori per la sintesi e l acquisizione di suoni Taluni di questi processori possono essere anche molto complessi Il chip grafico 3dfx III è composto da 8.2 milioni di transistor (il Pentium II ne ha 7.5) I diversi processori operano sotto il controllo del processore centrale con il quale competono per l accesso alla memoria e al bus Gianpaolo Cugola 26 Le memorie cache I canali DMA Il problema: Le memorie non reggono più la velocità dei moderni processori Una memoria PC133 ha un tempo di accesso dell ordine dei 5 ns, insufficiente per processori moderni (1000 Mhz) E possibile costruire memorie più veloci ma a costi molto alti (memorie statiche) La soluzione: Una gerarchia di memorie via via meno veloci e più capienti processore bus cache interna al processore (L1) cache di secondo livello (L2) principale Gianpaolo Cugola 27 Problema: eseguire le operazioni di I/ O sotto lo stretto controllo del processore richiede risorse di calcolo Il processore deve richiedere il dato (singola parola) all interfaccia delle, attendere la disponibilità del dato, leggerlo e spostarlo in memoria Il problema viene in parte risolto attraverso l uso di interrupt attraverso le quali la periferica segnala la disponibilità di un dato, ma la lettura è ancora svolta un dato per volta Soluzione: i controllori DMA integrati nelle interfacce delle Il controllore DMA integrato nell interfaccia si occupa di trasferire in maniera autonoma i dati richiesti dal processore in memoria (a blocchi) Il processore viene informato quando tutti i dati richiesti sono stati trasferiti (attraverso un interrupt) Gianpaolo Cugola 28

8 Le architetture a bus multipli I moderni calcolatori contengono spesso più bus Uno o più bus del processore (il caso del Pentium II) Uno o più bus al quale collegare schede di espansione (es. ISA, PCI, AGP) Uno o più bus delle (Es. EIDE, SCSI, USB) I diversi bus operano spesso a frequenze diverse sotto il controllo del processore Concettualmente si tratta sempre di un unico bus ma suddiviso in più tratti operanti a velocità differente Opportuni processori di controllo (Es. chipset della scheda madre) si occupano di gestire i passaggi di dati tra i diversi bus Un moderno PC x86: schema architetturale processore bus esterno bus ISA controller cache L1 cache L2 scheda ISA processore video RAM scheda PCI scheda video RAM video bus dischi bus AGP bus PCI controller dischi (EIDE o SCSI)... HD1 HDn CD Gianpaolo Cugola 29 Gianpaolo Cugola 30 Una scheda madre socket 370 cache L2 slot DIMM slot SIMM ZIF socket 7 batteria tampone chipset bus fdd alimentazione bus EIDE slot PCI Gianpaolo Cugola 31 slot ISA ROM BIOS slot AGP presa tastiera 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 Gianpaolo Cugola 32

9 Architettura di un S.O. - 1 Architettura di un S.O. - 2 Un moderno S.O. è organizzato secondo una architettura a strati (a cipolla) Ogni strato implementa una macchina 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 Programmi utente Interp. comandi Interf. graf. Gestore del file system Gestore delle Gestore della memoria Gestore dei processi (nucleo) Macchina fisica Gianpaolo Cugola 33 Gianpaolo Cugola 34 Funzionalità offerte dai diversi strati - 1 Funzionalità offerte dai diversi strati - 2 Il gestore dei processi Si appoggia direttamente sulla macchina fisica Effettua la gestione dei processi In un sistema multitasking realizza una macchina in cui ad ogni processo è assegnata un processore Comprende i principali programmi di risposta ad interruzione Realizza le primitive di sincronizzazione e scambio messaggi tra processi La macchina realizzata dal gestore dei processi Disco Bus di sistema centrale... Interfaccia delle Gianpaolo Cugola 35 Gianpaolo Cugola 36

10 Funzionalità offerte dai diversi strati - 3 Funzionalità offerte dai diversi strati - 4 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 Partiziona la memoria tra i vari processi che la richiedono Garantendo la protezione delle diverse zone di memoria La macchina realizzata dal gestore della memoria... Disco Bus di sistema... Interfaccia delle Gianpaolo Cugola 37 Gianpaolo Cugola 38 Funzionalità offerte dai diversi strati - 5 Funzionalità offerte dai diversi strati - 6 Il gestore delle Maschera le caratteristiche fisiche delle Fornisce agli strati superiori un insieme di procedure di alto livello per l accesso alle diverse Offre ad ogni processo la visibilità di un insieme di virtuali dedicate Gestisce, almeno in parte, i malfunzionamenti delle La macchina realizzata dal gestore delle Bus Interfaccia virtuali... Bus di sistema Disco Bus Interfaccia virtuali Gianpaolo Cugola 39 Gianpaolo Cugola 40

11 Funzionalità offerte dai diversi strati - 7 Funzionalità offerte dai diversi strati - 8 Il gestore del file system E responsabile della gestione delle di massa Fornisce agli strati superiori un insieme di procedure per l accesso al file system Garantisce la protezione nell accesso ai file La macchina realizzata dal gestore del file system Interfaccia virtuali Bus File... File... Interfaccia virtuali Bus File... File Bus di sistema Gianpaolo Cugola 41 Gianpaolo Cugola 42 Funzionalità offerte dai diversi strati - 9 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 N el caso di un sistema multiutente forniscono ai diversi utenti la visione di una macchina dedicata Una possibile classificazione dei moderni S.O. I moderni sistemi operativi possono essere classificati in: Sistemi monotask: Permettono l esecuzione di un solo programma utente per volta (es. DOS) Sistemi multitask Permettono l esecuzione di più programmi utente contemporaneamente Classificazione ulteriore: Multitasking cooperativo (Windows 3.1, MacOS prime versioni) Multitasking preemptive (Windows 98/ N T/ 2000, Unix, MacOS ultime versioni) Time sharing o meno Gianpaolo Cugola 43 Gianpaolo Cugola 44

12 Il gestore dei processi - 1 Il gestore dei processi - 2 A differenza di un programma, un processo è una entità dinamica Composto dal codice in esecuzione e da uno stato dell esecuzione La relazione tra programma e processo non è necessariamente biunivoca Un programma può dar luogo a più processi (programmazione concorrente) In un calcolatore con singolo processore un solo processo può essere in esecuzione in ogni istante Gli altri processi sono pronti o in attesa Compito del gestore dei processi è appunto la gestione dei diversi processi in maniera da simulare l esistenza di più processori di quelli realmente disponibili Gianpaolo Cugola 45 Stati di un processo In esecuzione Al processo è assegnato il processore Il processo esegue fino a quando non si verifichi un evento esterno (interruzione esterna) o fino a quando il processo non richieda l esecuzione di una operazione di I/ O (interruzione interna) In attesa Il processo giunge in questo stato a seguito di una interruzione interna Andrà in stato di pronto non appena l operazione richiesta sia completata Gianpaolo Cugola 46 Il gestore dei processi - 3 Il gestore dei processi - 4 Pronto Il processo giunge in questo stato dallo stato di attesa a seguito del completamento della operazione di I/ O richiesta o dallo stato di esecuzione, al verificarsi di una interruzione esterna o allo scadere del quanto di tempo assegnato al processo (nel caso di S.O. preemptive, time sharing) Interruzione esterna, fine quanto di tempo Inizio esecuzione Pronto Primo proc. pronto Fine esecuzione In esecuzione Evento esterno atteso Interruzione interna In attesa Gianpaolo Cugola 47 Gianpaolo Cugola 48

13 Il gestore della memoria E responsabile di: Suddividere la memoria tra i vari processi in esecuzione Rilocare i programmi affinché possano eseguire indipendentemente dalla loro effettiva posizione fisica Gestire la politica di assegnamento della memoria ai processi Tale politica deve essere coordinata con la politica di gestione dei processi svolta dal nucleo Il gestore della memoria: la memoria di swap Il gestore della memoria può usare una parte della memoria di massa come area di memoria di appoggio Quando un processo è sospeso i suoi segmenti dati, codice e stack possono essere spostati su disco per liberare memoria centrale Ciò consente di mostrare ai processi una memoria di dimensione superiore alla memoria centrale Gianpaolo Cugola 49 Gianpaolo Cugola 50 Il gestore delle - 1 Il gestore delle - 2 Il gestore delle ha il compito di mascherare l accesso alle Fornendo primitive di accesso indipendenti dall HW Spesso l accesso alle viene effettuato in maniera analoga all accesso ai file Il concetto di stream risulta unificatore tra i concetti particolari di periferica e file Il gestore delle è costituito da più strati: Driver fisici Routine di risposta ad interruzione Concettualmente parte del nucleo Driver logici Routine che operano al di sopra del nucleo fornendo l implementazione delle primitive di accesso alle File speciali Routine che mascherano le fornendo un meccanismo di accesso analogo ai file Parte del file system Spooling system Routine per la gestione dell accesso alle stampanti Gianpaolo Cugola 51 Gianpaolo Cugola 52

14 Il file system - 1 Il file system - 2 Il file system fornisce meccanismi per: Identificare in maniera univoca un file Leggere e scrivere dati su un file Controllare l accesso concorrente ai file Garantendo la permanenza delle informazioni anche a fronte di malfunzionamenti Mascherando le caratteristiche delle particolari sulle quali i file vengono conservati Ad ogni file viene associato un descrittore Contiene informazioni caratteristiche del file quale il suo nome, la dimensione, la posizione di inizio su disco, il proprietario, i permessi di accesso, ecc. Ogni file è contenuto in una directory Rappresentata dal S.O. come insieme di descrittori Directory possono contenere altre directory in una struttura ad albero le cui foglie sono i file Ogni file è identificato univocamente dal suo pathname Es. c:\alfa\beta\gamma.txt Gianpaolo Cugola 53 Gianpaolo Cugola 54 Il file system - 3 L interprete dei comandi - 1 Il S.O. gestisce i file come sequenze di blocchi di dimensione fissa concatenati tra loro L utente vede i file come sequenze lineari di byte L accesso ai file è di tipo sequenziale Una opportuna tabella mantiene una lista dei blocchi liberi sul disco L interprete dei comandi è responsabile di gestire i comandi diretti dell utente N ei moderni S.O. gran parte delle funzionalità classiche dell interprete dei comandi testuale vengono realizzate attraverso una opportuna interfaccia grafica Basata su finestre ed icone Permane comunque la possibilità/ necessità di ricorrere all interprete dei comandi testuale Gianpaolo Cugola 55 Gianpaolo Cugola 56

15 L interprete dei comandi - 2 Verso i sistemi distribuiti Sistema distribuito Software applicativo S.O. di rete + middleware S.O. hardware hardware rete S.O. hardware Gianpaolo Cugola 57 Gianpaolo Cugola 58