DATA: CLASSE: V a EL. TITOLO: ELABORAZIONE DEL SISTEMA OPERATIVO PER mp0

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1 DATA: CLASSE: V a EL. TITOLO: ELABORAZIONE DEL SISTEMA OPERATIVO PER mp0 nelle lezioni precedenti abbiamo preso in esame tutte le caratteristiche e le funzionalità del microprocessore didattico ed in questa scheda proponiamo un modello di sistema operativo che racchiude un po tutte le funzioni finora esaminate Ma prima di entrare nello specifico, si propone una breve introduzione che riguarda l entità di un sistema operativo e come è composto nelle sue parti. In informatica noi definiamo sistema operativo (abbreviato S.O.) un insieme di strutture e d istruzioni il cui compito è quello di controllare e gestire tutti i componenti hardware che compongono un computer e l esecuzione dei programmi che girano in esso. Il S.O. mette anche a disposizione alcuni programmi utili alla gestione dell I/O permettendo al sistema di poter interloquire con l esterno e viceversa. Resta di fatto che il compito primario del sistema operativo è quello di consentire all uomo di poter interagire con la macchina. Col passare del tempo il metodo di creazione dei S.O. è andata via via modificandosi e adesso riportiamo qui sotto alcune tipologie di S.O. partendo dal più semplice fino ad arrivare a quelli più complessi: MONITOR: si tratta di un kernel semplice che dispone solo di un interfaccia interattiva utile per dare i comandi. Questo tipo di S.O. consente di poter scrivere in memoria un programma e di poterlo eseguire. È stato il primo sistema operativo ma esso non è mai stato fatto girare su un computer. Questo S.O. si limita solo ad inizializzare il sistema dopodichè lascia il comando totale ai programmi che vengono eseguiti. INTERPRETE: questo S.O. deriva del kernel e consiste in un interprete di comandi che funziona anche come interfaccia per l utente. Questa interfaccia utente poteva anche funzionare come interprete per linguaggi di programmazione, difatti i software per questo tipo di S.O. potevano sia essere scritti in un vero e proprio linguaggio di programmazione oppure con un linguaggio di scripting come può essere il batch. DOS: un computer acquista utilità se viene dotato di un volume di memoria di massa. Per gestire questa memoria però, si ha bisogno di un programma che ci consente la gestione dei dati e di organizzarli secondo un certo schema. Questi programmi si chiamano gestori del file system ed un sistema operativo capace di gestire questo programma è chiamato DOS (disk-operating-system). SISTEMI MULTITASK: questa tipologia di S.O. ci consente di poter eseguire più di un processo. Essi sono dotati di uno scheduler (ovvero di una sorta si schedario), il quale fa eseguire più processi consentendo l uso della CPU a turno e sospende l esecuzione dei programmi in attesa fin quando non si verifica un evento esterno che fa riprendere l esecuzione di questi programmi. Rispetto ai S.O. monotask questo tipo di S.O. necessita di maggiore memoria dovendo eseguire più funzioni contemporaneamente. In questi S.O. è predisposto un programma che funge da gestore della memoria virtuale. La gestione multitask si effettua sostanzialmente in due modalità:

2 Cooperative multitask: che risulta essere il modo di implementare il multitask più rapido, visto che assorbe poche risorse di calcolo e non ha ritardo di commutazione nel cambio dei processi da eseguire. Preemptive multitask: ha bisogno di CPU abbastanza complesse che dispongano di un logica specifica che consente di effettuare il context switch che sarebbe il cambio di processo eseguito dallo scheduler. Siccome l interruzione dei programmi è arbitraria, ad ogni cambio di processo il sistema deve predisporre il salvataggio di tutti i registri della CPU che devono poi essere ricaricati non appena un nuovo processo subentra. Tutto questo comporta un enorme perdita di tempo ma questa tecnica di multitasking offre una migliore sicurezza del sistema ed un eventuale immunità agli eventuali crash di sistema indotti da qualche errore nei programmi. SISTEMA MULTIUTENTE: si tratta di sistemi nei quali i comandi vengono impartiti da una moltitudine di utenti contemporaneamente. È la diretta evoluzione del multitask ma presenta alcuni problemi inerenti alla sicurezza del sistema. Per sopperire questo problema, ogni utente viene dotato di un proprio account e tramite un gerarchia di utenti con a capo l utente amministratore, tutti gli altri possono accedere a programmi ed ai file solo se autorizzati dall amministratore stesso. SISTEMI OPERATIVI ON-LINE: tramite l uso di alcuni software, il sistema operativo può funzionare anche come desktop remoto che tramite un opportuno collegamento ad internet ci permette di accedere al nostro computer e a tutti i dati salvati in esso. L accesso verso il desktop remoto è protetto da un user con relativa password. Il desktop remoto è un passa avanti rispetto alla cartella condivisa. SISTEMI OPERATIVI REAL-TIME: è una tipologia di sistema operativo il quale fornisce una risposta entro un lasso di tempo molto breve a qualunque evento esterno. Per determinare qual è la periferica che hai chiesto di interagire col sistema questo S.O. utilizza la tecnica del polling a scapito degli interrupt. Questo tipo di S.O. è privo di un programma di gestione della memoria virtuale. dopo aver parlato delle varie categorie di S.O., procediamo con l analisi delle parti che lo compongono KERNEL: il kernel è la parte fondamentale del S.O. Si tratta di un programma che praticamente ha il compito di fornire a tutto il sistema alcune funzioni fondamentali ed un accesso controllato verso i componenti hardware. I kernel si dividono i due tipologie: Microkernel: è un tipo di kernel che implementa solo le funzioni essenziali. Il vantaggio di avere un S.O. a microkernel sta nella gestione dei moduli di sistemi, lo svantaggio e che le istruzioni che il microkernel impartisce al sistema risultano essere più complesse. Kernel tradizionale o monolitico: si tratta di un tipo di kernel più complesso nelle sue parti che ha in se il gestore di memoria virtuale, lo scheduler, il gestore di file system e tutti i driver necessari per far funzionare le periferiche collegate. Questa categoria di kernel risulta essere quella più efficiente. Diretta evoluzione del kernel monolitico è stato il kernel modulare il quale mantiene per se solo i moduli fondamentali ed altri moduli meno importati vengono caricati in memoria e considerati solo nel caso in cui ci sia da implementare la funzione di propria competenza.

3 FILE SYSTEM: il file system è quel protocollo che gestisce le modalità di lettura e scrittura dei vari file in un elemento di archiviazione. I file system sono tutti diversi ideati in base al tipo si sistema operativo ed ai dispositivi di memorizzazione. Solitamente i file system si dividono in due categorie: File system per unità locali: che sono quelli che fisicamente consentono di organizzare fisicamente i dati su disco. File system distribuiti: che sono tipologie di file system ideati per la condivisione dati tra più computer collegati in rete. SCHEDULER: è un componente fondamentale nei sistemi operativi multitask e ci consente di poter gestire contemporaneamente più processi. E proprio lui che si occupa di fare avanzare un processo a scapito di un altro che verrà sospeso momentaneamente effettuando così un context switch. GESTORE DI MEMORIA: questo è un componente fondamentale perché organizza e gestisce la memoria in base ai processi che ne richiedono. Esso è necessario per avere sempre un quadro generale riguardo la situazione della memoria. GESTORE DI MEMORIA VIRTUALE: questo componente si occupa di effettuare la mappatura della memoria virtuale che è disponibile nella memoria fisica del sistema copiando volta per volta le parti di memoria necessarie ai programmi, risparmiando questo lavoro all utente o al programma stesso. PROTEZIONE DELLA MEMORIA: è un particolare sistema il quale va a prevenire e a controllare l alterazione dei dati contenuti in memoria. La protezione della memoria molto spesso viene gestita via hardware (MMU) in collaborazione col S.O. che organizza i segmenti di memoria per tutti i processi. INTERFACCIA UTENTE: è un programma particolare che consente all utente di poter interagire con il sistema. Si dividono in due classi: interfacce a linee di comando e interfacce grafiche. SPOOLER DI STAMPA: fu il primo modulo esterno del S.O. ad essere ideato, è stato fatto per risolto per risolvere il problema della stampa su carta. È un programma che gira con priorità molto bassa e che non va in conflitto con gli altri programmi perché viene visto come una normale stampante. In realtà però lo spooler accumula i dati che un programma deve stampare in un preciso segmento di memoria RAM dopodichè si fa carico del processo di stampa e lascia gli altri programmi liberi di continuare la loro esecuzione. Col tempo il meccanismo non è cambiato a parte per il fatto che ora come ora si possono gestire più stampanti. Un programma che funga da S.O. viene scritto nella memoria rigida del sistema (come per esempio in una EPROM o in una ROM) perché è quella parte di memoria che anche se l alimentazione viene meno è capace di mantenere il suo contenuto. Detto ciò, solitamente si riservano gli indirizzi bassi alla ROM o alla EPROM e si lasciano quelli alti alla RAM. Nella ROM viene scritto un programma che deve essere in grado di gestire l I/O e tale programma viene scritto in maniera tale da trovarsi al primo indirizzo al quale il microprocessore effettua la sua prima fase di fetch. Questo programma consente al sistema di poter interloquire col mondo esterno e viene definito

4 programma di bootstrap. Questo programma ha il compito fondamentale di abilitare tutte le periferiche collegate al sistema e da il permesso a queste ultime di caricare ed eseguire in RAM dei programmi che consentono di poter colloquiare col sistema. Il sistema operativo dunque mette a disposizione dei sottoprogrammi che ci consentono di gestire tutto il sistema. Nel caso in cui si verifichi un evento che deve far elaborare qualcosa al sistema, il S.O. chiama un preciso sottoprogramma per svolgere quella funzione ed una volta terminata l elaborazione il comando ripassa in mano al S.O.. La peculiarità del sistema operativo è quella di non avere mai fine, difatti quando l utilizzatore non vuole utilizzare il sistema esso effettua sempre un giro infinito in attesa che qualcuno richieda di utilizzare il sistema. Detto ciò allora, si capisce che i sottoprogrammi lanciati dal S.O. non dovranno mai terminare con un istruzione HLT pena il blocco del sistema, bensì con un istruzione RET con la quale si consente al S.O. di riprendere il comando. Nel caso del mp0 le istruzioni ed i comandi sono molto limitati, difatti noi possiamo impartire al sistema sostanzialmente due tipologie di comandi: 1. comando inserimento dati in memoria: questo comando viene implementato se viene premuta la lettera M maiuscola. Impartendo questo comando ci è possibile variare il contenuto della memoria inserendo o i codici operativi delle varie istruzioni oppure dei dati. La sintassi del comando risulta essere la seguente: M <indirizzo> <dato> <dato> Dove: <indirizzo> rappresenta la locazione dove si vuole scrivere il primo dato. <dato> indica il dato che verrà scritto in memoria alla locazione che viene indicata da <indirizzo> e locazioni successive (l incremento è automatico). 2. comando di avvio programma: questo comando viene impartito se si preme la lettera V maiuscola e ci consente di eseguire i programmi che stanno scritti nella memoria che sono stati inseriti impartendo il comando M. la sintassi risulta essere la seguente: V <indirizzo> Dove: <indirizzo> rappresenta la prima locazione del programma che intendiamo lanciare. Inoltre è possibile eseguire dei sottoprogrammi in maniera nidificata, ovvero lanciando sottoprogrammi che partono da altri sottoprogrammi e che al loro termine lasciano che il programma precedentemente sospeso riprenda la sua esecuzione. Tutto questo è possibile da realizzare basta che al termine del programma l ultima istruzione non sia un HLT ma bensì un RET. Riportiamo qui sotto il listato del sistema operativo per mp0: Programma per l esecuzione del ciclo infinito: 0 LDA #28 scrivi l indirizzo in cui sono scritte le istruzioni POP e IRET nella locazione 7; 2 STA 7 abilita le interruzioni ed esegui il ciclo infinito. 4 EI 5 JMP 5

5 Sottoprogramma di gestione delle interruzioni: 8 IN $E0 leggi il dato scritto nella porta di ingresso di sistema dalla tastiera 10 ADD #$B3 somma -77 (che nel codice ASCII di M) 12 JZ 24 se risulta essere zero effettua un salto alla riga 24 oppure 14 ADD #$F7 somma -9 (ottenendo così -86, nonché il codice ASCII di V) 16 JZ 20 se risulta essere zero effettua un salto alla riga 20 oppure 16 JMP (7) esegui in maniera incondizionata una salto alla locazione specificata dalla locazione 7 (la prima volta è la locazione 28). 20 LDA #56 carica 56 (che è il primo indirizzo del programma che implementa il comando V). 22 JMP 26 salta incondizionatamente alla riga LDA #90 carica 90 (che è il primo indirizzo dove si trova il programma che esegue il comando M). 26 STA 7 e scrivilo nella locazione 7 28 POP recupera il contenuto dell ACC dopodichè 29 IRET rientra dall interruzione. Sottoprogramma di conversione di un numero a 2 cifre: 34 CALL 72 questo è un sottoprogramma che esegue la conversione di un dato 36 JN 31 numerico letto dalla tastiera sotto forma di codice ASCII; 38 SHL il dato una volta convertito viene scritto nella locazione SHL 40 SHL 41 SHL 42 STA CALL CALL JN OR STA RET Sottoprogramma di esecuzione del comando V: esecuzione di un programma 56 ADD #86 ripristina il valore della prima cifra letta. 58 CALL 34 chiama il sottoprogramma di conversione. 60 EI abilita le interruzioni e chiama il programma che si trova all indirizzo 61 CALL (33) specificato dall utente. 63 POP quando questo programma termina ripristina il contenuto dell ACC 64 IRET e torna dall interruzione. Sottoprogramma di lettura seconda cifra da tastiera: 65 IN $E2 leggi il flag della tastiera e attendi fino a che non viene scritto 67 JZ 65 un altro carattere. 69 IN $E0 leggi il carattere e ritorna 71 RET questo sottoprogramma viene lanciato dal sottoprogramma di conversione

6 Sottoprogramma di conversione di una cifra: 72 ADD #$C7 74 JP ADD #9 78 RET 79 ADD #$F3 81 JP ADD #15 85 RET 86 LDA #$FF 88 RET Sottoprogramma che implementa il comando M: lettura dell indirizzo dove inserire i dati: 90 ADD #86 ripristina il valore della prima cifra letta. 92 CALL 34 chiama il sottoprogramma di conversione 94 LDA 33 carica in ACC il valore letto e convertito dopodichè 96 STA 89 salvalo nella locazione LDA #104 carica l indirizzo della seconda parte di sottoprogramma che implementa 100 STA 7 il comando M e salvalo nella locazione 7. infine recupera il contenuto 102 POP dell ACC e ritorna dall interruzione. 103 IRET Seconda parte del sottoprogramma che implementa il comando M: lettura dati ed inserimento in memoria: 104 ADD #86 ripristina il valore della prima cifra letta 106 CALL 34 chiama il sottoprogramma di conversione 108 LDA 33 carica il valore letto e convertito (<dato>) e 110 STA (89) scrivilo all indirizzo specificato dalla locazione LDA 89 carica il contenuto della locazione 89 e poi incrementalo di ADD #1 116 STA 89 infine riscrivilo nella locazione 89 (<indirizzo>) 118 POP poi ripristina il contenuto dell ACC e 119 IRET rientra dall interruzione. 128 PUSH si arriva qui dopo che il sistema ha subito un interruzione: 129 IN $E2 salva il contenuto dell ACC. Leggi il flag di tastiera 131 AND #$01 maschera tutti i bit meno che l LSB 133 JP 8 nel caso n cui sia diverso da zero gestisci l interruzione saltando alla 135 POP locazione 8. oppure ripristina il contenuto dell ACC e rientra 136 RET dall interruzione. Provando questo programma con l applicativo MICRO.exe ne abbiamo provato l efficacia, il diagramma di flusso è descritto in fig.1.

7 CONSIDERAZIONI Non sono stati riscontrati problemi nel corso di questa esperienza ed il resto è stato svolto correttamente.