Componenti di un sistema operativo

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1 Componenti di un sistema operativo di Daniele Margutti CONTATTI Mail: AIM/iChat: malcombsd Web: INDICE: 1. Nota introduttiva 2. La gestione dei processi di elaborazione 3. La memoria centrale (RAM) 4. Interazione con i file 5. Input e Ouput di un sistema operativo 6. La memoria secondaria (HD,CD,etc) 7. La shell 8. Meccanismi di protezione 9. La gestione della rete Una breve nota La stesura di questo documento è costata tempo e fatica. Se quanto troverete in queste pagine sarà vi tornerà particolarmente utile, se vi ha permesso di approfondire un argomento di vostro interesse o più semplicemente risparmierete qualche euro sull'acquisto di un libro dedicato, considerate l'idea di fare una piccola donazione al mio indirizzo. Piccola o grande che sia mi aiuterà nella creazione di altri articoli come e meglio di questo. L'indirizzo Kagi per il pagamento sicuro è:

2 Nota introduttiva Lo scopo dei sistemi operativi è quello di fornire un ambiente in cui far eseguire dei programmi. Benchè possano differire tra loro anche pesantemente, ci sono alcune caratteristiche che sono valide per tutti i sistemi operativi moderni, quali la gestione dei processi, dell'input/ouput e della memoria. Data la difficoltà e la mole di lavoro, l'unica tecnica per progettare un sistema operativo è quella di suddividerlo in parti più piccole, ciascuna delle quali deve essere indipendente dall'altra e occuparsi di uno specifico obiettivo. La gestione dei processi di elaborazione Un processo (o più formalmente un processo di elaborazione) è un programma in esecuzione da parte della CPU. Un programma utente quale un editor di testo, un compilatore o un servizio di sistema sono processi. L'invio di dati verso la stampante è anch'esso un processo. Per essere eseguito un processo necessità di particolari risorse quali tempo di CPU, memoria e dispositivi di I/O. Questi dati possono essere resi disponibili al processo al momento della sua creazione, ma anche durante l'esecuzione. Una volta che lavoro (job) viene completato, il sistema operativo riprende nuovamente il controllo della CPU. E' necessario inoltre puntualizzare un concetto. Un programma in se stesso non è un processo, ma un insieme di istruzioni, ne più ne meno come può essere un file di testo sul disco. Esso è in effetti una entità passiva. Soltanto quando viene eseguito, o istanziato, dalla CPU diventa un processo, ovvero una entità attiva. Lo stesso programma può quindi essere fonte di due differenti processi che quindi condividono lo stesso set di istruzioni. Un processo può anche generare e cotrollare ulteriori processi ad esso legati. Il sistema operativo è responsabile dei seguenti processi: - creazione, sospensione distruzione di processi utente (in un sistema multi-threading) - fornitura di metodi per la sincronizzazione e comunicazione di processi - gestione delle situazioni di deadlock, o stallo, di processi La memoria centrale La memoria centrale è un elemento fondamentale per il funzionamento di una unità di elaborazione moderna. In termini tecnici si tratta di una enorme matrice contentente miliardi di parole (insieme di bit) ciascuna accessibile attraverso il proprio indirizzo. Può essere quindi considerato un enorme magazzino accessibile in maniera veloce rispetto a quelle che sono le unità secondarie (quali hard disk o cd-rom). 2 - Componenti di un sistema operativo - Daniele Margutti

3 Affinchè le operazioni vengano eseguite o maneggiate dalla CPU è necessario trasferirle, attraverso il cosidetto ciclo di lettura (o fetching) dal dispositivo che le contiene verso la memoria centrale (questo se la memoria ha spazio a sufficenza per contenere i dati, altrimenti si esegue lo swap verso l'hard disk). E' quindi ovvio che l'esecuzione di un programma richiede il trasferimento dei dati in esso contenuti verso la memoria centrale e l'impostazione di alcuni indirizzi assoluti che serviranno alla CPU per ritrovare i dati in memoria. Una volta terminata l'esecuzione il sistema operativo si occuperà di liberare gli indirizzi e marcare la zona di memoria precedentemente occupata come libera, in modo da farla riutilizzare per altri compiti. Il sistema operativo è responsabile di queste attività verso la memoria centrale: - tenere traccia di quali zone siano libere e quali occupate - decidere, a seconda dello spazio disponibile, quali processi debbano essere caricati verso la memoria centrale - modificare la quantità di spazio assegnata ai processi Interazione con i file E' noto che i calcolatori moderni come quelli "antichi" possono registrare informazioni su diversi tipi di supporti; i più diffusi in questo periodo sono i supporti magnetici (hard disk) e quelli ottici (dvd,cd-rom). Ciascun supporto deve essere quindi controllato da un disposiitivo particolare in grado di accedere ai file contenuti all'interno. Il file come come lo vediamo è soltanto una rappresentazione astratta, definita per semplicità d'uso dal sistema operativo, di una regione (in effetti anche più di una regione) di memoria in cui sono contenuti i dati associati a quel documento. I file possono essere semplici documenti di testo, sorgenti di software o codice oggetto pronto ad essere eseguito. Per ulteriore comodità verso l'utente finale i files possono essere organizzati in directory, di cui può esserne controllato l'accesso. Tutto questo è solo una astrazione che semplifica l'interazione tra utente e macchina. Il sistema operativo si occupa di: - creare, cancellare e copiare (backup) file e directory - fornire metodi per la gestione di file e directory - associare il concetto di file astratto alla verà realtà fisica all'interno della memoria Input/Output di un sistema operativo Probabilmente uno dei più importanti scopi di un sistema operativo è quello di nascondere all'utente le caratteristiche dei dispositivi di input e output. Una cosa di questo tipo avviene nel sistema operativo UNIX che incapsula tutto quello che concerne l'i/o in un sottosistema (in Mac OS X è I/O Kit) composto da: 3 - Componenti di un sistema operativo - Daniele Margutti

4 - un componente di gestione della memoria (gestione della cache, delle regione di memoria per l'i/o - buffer -, e la gestione asiconcrona - messa in coda - delle operazioni di I/O per più processi - spooling) - un'interfaccia generale per i driver dei dispositivi - i driver specifici per i dispositivi supportati La memoria secondaria Come abbiamo già detto per eseguire un programma è necessario che questo si trovi nella memoria centrale. Giacchè questa memoria è comunque piuttosto limitata per contenere tutti i programmi e tutti i documenti, e poichè il suo contenuto va perso se il sistema viene spento (RAM - Random Access Memory - memoria volatile ad accesso casuale), il calcolatore deve disporre di una sorta di archivio permanente dove salvare i dati di interesse. Questo archivio è la memoria secondaria. La maggior parte dei sistemi operativi impiega gli hard disk come memoria secondaria. E' comunque possibile salvare i dati su differenti tipi di supporto (cd-rom, floppy disk etc). I programmi contenuti all'interno dei dischi rimangono lì fino al caricamento della memoria e si servono della memoria secondaria per registrare o prelevare informazioni di cui hanno bisogno. Verso la memoria secondaria il sistema operativo: - assegna e gestisce lo spazio libero - esegue lo scheduling del disco (che permette di rendere efficente la gestione dei file contenuti al suo interno). La shell La shell o più semplimente interprete di comandi è una interfaccia posta tra l'utente e il sistema operativo. Alcuni OS contengono la shell all'interno del kernel. Altri invece trattano la shell come un comune programma da eseguire. In quest'ultimo caso ricadono OS quali UNIX e MS-DOS/Windows. La shell permette di interagire, attraverso un set di istruzioni di controllo, con il sistema operativo, permettendo la gestione dei file, l'esecuzione di programmi etc. I sistemi operativi si differenziano anche a seconda della shell che utilizzano. Esistono interpreti amichevoli, che sono realizzati mediante l'uso di concetti astratti quali la scrivania, le finestre o le icone: questo è il caso del sistema operativo Macintosh o quello Windows. In alcuni di qesti interpreti i comandi si immettono con la tastiera ed appaiono sullo schermo; il tasto invio segnala la fine del comando e la futura esecuzione dello stesso. Questi interpreti sono alla base di OS come MS-DOS e UNIX. Meccanismi di protezione Se un sistema operativo ha più utente e consente che più processi possano essere eseguiti in maniera concorrente, i diversi processi devo essere protetti dalle attività di altri. 4 - Componenti di un sistema operativo - Daniele Margutti

5 Il sistema operativo in particolare assegna una zona di memoria e determinate risorse per ogni processo, in modo tale che questo non vada ad interferire con altre zone di memoria protette (questo concetto è detto memoria protetta) creando situazioni di stallo o di blocco (kernel panic o deadlock). L'uso del cosidetto temporizzatore assicura che nessun processo attivo possa acquisire il controllo della CPU senza poi restituirlo. Inoltre gli utenti non hanno il permesso di accesso ai registri di controllo dei dispositivi, in modo da mantenere l'integrità di essi. Una risorsa senza protezione non può quindi difendersi dall'uso o dall'abuso di un utente non autorizzato, o semplicemente incompetente. Un sistema protetto può quindi definire la differenza tra un utente autorizzato e non. La gestione della rete E' possibile che più unità di elaborazione comunichino tra loro scambiandosi informazioni. L'insieme di queste unità viene definito sistema distribuito. Benchè ciascuna unità preservi il proprio clock, la propria memoria e i propri dispositivi di I/ O, esse possono comunicare con altre entità attraverso delle linee di comuncazione, come bus ad alta velocità o reti. In un sistema operativo la rete può essere configurata in maniere differenti e può essere parzialmente o totalmente connessa. Normalmente i sistemi operativi generalizzano l'accesso alla rete come una forma d'accesso ai file, dove i paticolari riguardanti la connessione sono contenuti nel driver del dispositivo di interfaccia scelto (http,ftp,nfs,webdav etc). 5 - Componenti di un sistema operativo - Daniele Margutti