Introduzione ai sistemi operativi. Marco Cesati. Schema della lezione. Calcolatori elettronici. Sistema operativo SO

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1 Di cosa parliamo in questa lezione? Lezione 1 Introduzione generale ai Sistemi operativi 1 Richiami sui calcolatori elettronici 2 Architettura generale del software 3 Definizione di sistema operativo 9 marzo Le interfacce utente System Programming Research Group Università degli Studi di Roma Tor Vergata SO SO I componenti di un calcolo Il calcolatore elettronico Calcolatore elettronico È una macchina: costituita prevalentemente da dispositivi micro-elettronici 1 Dispositivi fisici (hardware) 2 Programmi di base 3 Programmi applicativi in grado di elaborare informazioni in ingresso in grado di produrre informazioni in uscita utilizzante un programma definibile completamente dall utente immagazzinato in memoria insieme ai dati 4 Utenti In un calcolatore elettronico è l utente a definire il comportamento della macchina, inteso come modo di elaborare le informazioni in ingresso, non il progettista Di conseguenza, il calcolatore elettronico è una macchina universale, in grado di emulare il comportamento di ogni macchina progettata dall uomo SO SO

2 Architettura e organizzazione di un calcolatore Livelli e astrazioni Architettura di un calcolatore L insieme delle caratteristiche della macchina che sono visibili al programmatore in linguaggio macchina o in assembler Un calcolatore elettronico moderno è un dispositivo estremamente complesso: per poter comprendere il suo funzionamento si fa ricorso ad una rappresentazione basata su diversi livelli gerarchici di astrazione Tipiche caratteristiche definite dall architettura sono la dimensione dei registri in bit, oppure la modalità di indirizzamento dei dati in memoria Ogni livello si basa sulle strutture definite al livello sottostante per realizzare componenti più complessi Organizzazione di un calcolatore L insieme delle relazioni strutturali tra le varie unità funzionali, ed il modo in cui tali unità realizzano una data architettura Tra le caratteristiche definite dall organizzazione di un calcolatore troviamo ad esempio la sua velocità di clock, la quantità massima di memoria installabile, e il numero e tipo di bus di collegamento interni Livello Astrazioni Delle applicazioni Programmi eseguibili dall utente Del sistema operativo Chiamate di sistema, librerie... Del linguaggio macchina Programmi in assembler Funzionale Controllo, modello di programm. Della logica Registri, ALU, memorie... Dei circuiti Porte logiche, bistabili,... Dei componenti elettronici Transistor, resistenze,... SO SO Hardware e software Firmware In genere viene fatta una netta distinzione tra la struttura fisica del calcolatore ed i programmi che esso esegue Definizione di hardware L insieme degli apparati fisici che costituiscono un calcolatore elettronico. Per estensione, il termine viene anche usato come aggettivo per qualificare un particolare componente del calcolatore Definizione di software L insieme dei programmi eseguibili da un calcolatore elettronico. Per estensione, il termine viene anche usato come aggettivo per qualificare un particolare programma eseguito dal calcolatore Le definizioni di hardware e software non sembrano ambigue, tuttavia non descrivono pienamente l organizzazione di un calcolatore elettronico moderno Quali componenti di un calcolatore non rispondono pienamente né alla definizione di hardware né a quella di software? Alcuni esempi: Il programma eseguito dal calcolatore subito dopo l accensione e prima che sia caricato il sistema operativo Il programma memorizzato all interno di un dispositivo hardware specializzato, come una stampante oppure un disco rigido Il programma eseguito da un microcontrollore all interno di un sistema embedded Definizione di firmware Un programma così legato ad un componente hardware da poter essere, il più delle volte, considerato come parte integrante del componente stesso SO SO

3 Sistemi funzionali del calcolatore Sistema di memoria Il calcolatore può essere suddiviso in cinque parti fondamentali chiamate sistemi (o unità) funzionali operanti in modo relativamente indipendente l una dall altra 1 Sistema di ingresso 2 Sistema di uscita 3 Sistema di memoria 4 Sistema di calcolo 5 Sistema di controllo ingresso uscita I/O memoria calcolo controllo processore Il memoria è costituito da tutti i componenti e le periferiche che sono in grado di memorizzare informazione, ossia i programmi del calcolatore ed i dati su cui tali programmi operano Esistono fondamentalmente due tipologie di memoria: Memoria primaria Costituita spesso da memoria ad accesso casuale (RAM, Random Access Memory), volatile, veloce e costosa; organizzata in celle da uno o più byte, ciascuna cella associata con un valore numerico progressivo chiamato indirizzo di memoria Memoria secondaria (o memoria di massa) costituita spesso da dischi magnetici od ottici; persistente, lenta e poco costosa; organizzata in settori di centinaia o migliaia di byte; il meccanismo di indirizzamento dei settori dipende dalla tecnologia del dispositivo di memorizzazione SO SO Gerarchia della memoria primaria Sistema di calcolo Normalmente la memoria primaria è organizzata come una gerarchia di livelli di memoria, ciascuno caratterizzato da diverse capacità e velocità Memoria dinamica: relativamente lenta, di grande capacità, costituisce la memoria centrale, ossia il livello più basso della gerarchia della memoria primaria Memoria statica: relativamente veloce, di piccola capacità, costituisce la cosiddetta memoria cache; i calcolatori moderni includono due o tre livelli di memoria cache con diverse velocità e capacità Definizione di unità aritmetico-logica L unità aritmetico-logica (ALU) è l insieme dei circuiti del processore dedicato all esecuzione delle operazioni aritmetiche, logiche e di manipolazione del contenuto dei registri Possiamo includere nel calcolo anche l insieme dei registri del processore, ossia degli elementi di memoria estremamente veloci destinati a memorizzare le istruzioni eseguite dal processore ed i dati su cui essi operano La memoria statica è, rispetto alla memoria dinamica: molto più costosa molto più dispendiosa come assorbimento di corrente molto più ingombrante come superficie occupata sui chip integrati La velocità operativa dei processori moderni implica che di fatto tutte le unità aritmetico-logiche operano esclusivamente sui dati contenuti nei registri, e non sono in grado di compiere operazioni su dati contenuti in memoria primaria si noti però che questo è un vincolo organizzativo, non architetturale SO SO

4 Famiglie di calcolatori Architettura del software e utenti I calcolatori elettronici moderni sono progettati in funzione dello scopo al quale sono destinati Esistono diverse famiglie di calcolatori, ciascuna con le proprie esigenze di dimensione, costo, potenza... Calcolatori per High Performance Computing (cluster, supercomputer) Calcolatori aziendali (mainframe) Server di rete Stazioni di lavoro (workstation) Calcolatori da tavolo (desktop computer) Calcolatori portatili (laptop, notebook) Tablet, cellulari di fascia alta Sistemi integrati (embedded computer) In termini puramente numerici, in quale categoria si trova la maggior parte dei calcolatori? In grande maggioranza sono sistemi integrati (embedded) Programmatore applicativo Programmatore di sistema Utente finale PROGRAMMI APPLICATIVI STRUMENTI SISTEMA LIBRERIE DI SISTEMA NUCLEO SISTEMA OPERATIVO HARDWARE Progettista di sistema operativo Sistemista SO SO applicativo di base Il software applicativo è l insieme dei programmi utilizzati dall utente finale del calcolatore elettronico Esempi di applicazioni: Browser WWW Client di posta elettronica Gioco multimediale Foglio elettronico, word processor,... Nel sistema operativo non sono incluse le applicazioni Il software di base di un calcolatore elettronico è un insieme di programmi che permettono di Assicurare il corretto funzionamento dell hardware Gestire le risorse del sistema Amministrare il sistema ed i suoi utenti Fornire interfacce verso gli utenti Permettere la scrittura di applicazioni per gli utenti finali Esempi: Sistemi di archiviazione (data base) Shell di comandi Login manager Macchine virtuali (Java Virtual Machine) Librerie di procedure Compilatori e interpreti Il sistema operativo è parte del software di base SO SO

5 Cosa è un sistema operativo? Il punto di vista dell utente finale I programmi di un calcolatore appartengono a due categorie: software di base e software applicativo Le varie famiglie di calcolatori rappresentano tipologie d utilizzo differente Gli utenti hanno quindi diverse esigenze e priorità Quale programmi appartenenti al software di base fanno parte del sistema operativo? Non esiste una risposta univoca Perciò non esiste una definizione universalmente accettata di sistema operativo La risposta dipende anche dal punto di vista: Gli utenti dei sistemi HPC privilegiano l efficienza e la velocità d esecuzione dei propri programmi Gli utenti di calcolatori aziendali, server e stazioni di lavoro favoriscono la condivisione equa delle risorse hardware Gli utenti dei calcolatori da tavolo e portatili danno molta importanza alla facilità d uso ed all aspetto delle interfacce di comunicazione Gli utenti di tablet e smartphone privilegiano il risparmio di energia e interfacce semplici ed immediate Per gli utenti dei sistemi integrati sono cruciali responsività, tempi di bootstrap ridotti, rispetto di scadenze real-time dell utente finale del sistema hardware del programmatore applicativo Interfacciamento verso l utente e le sue esigenze Il sistema operativo deve poter offrire, volta per volta, ciò che gli utenti finali realmente si aspettano SO SO Il punto di vista del sistema hardware Il punto di vista del programmatore applicativo Un calcolatore elettronico è costituito da centinaia di dispositivi hardware differenti Ciascuna periferica hardware di cui è costituito il calcolatore deve essere programmata in modo specifico Il corretto funzionamento di ciascuno di essi necessita di un programma di controllo (driver di periferica) Ciascuna risorsa hardware inoltre deve essere condivisa tra gli altri dispositivi hardware esempi: bus di sistema, controllore delle interruzioni tra i programmi in esecuzione esempi: tempo della CPU, memoria centrale tra i vari utenti del sistema esempi: scheda di rete, CPU, memoria Ad esempio, sono radicalmente diverse le operazioni da effettuare sull hardware per leggere un dato da un disco rigido una memoria flash su bus USB un disco CD-ROM un nastro magnetico Ciò che il programmatore applicativo desidera è utilizzare sempre la stessa procedura per leggere un dato da un dispositivo di memoria, in modo indipendente dalla tecnologia Gestore dell hardware Il sistema operativo svolge i ruoli di programma di controllo assegnatore di risorse Astrazione dell hardware Il sistema operativo fornisce al programmatore un insieme di procedure uniformi per utilizzare le periferiche hardware SO SO

6 Definizione di sistema operativo Servizi di un sistema operativo Collezione di programmi di base per la gestione delle periferiche hardware del calcolatore e per la creazione di un ambiente per l esecuzione controllata dei programmi applicativi da parte degli utenti finali Un sistema operativo offre un ambiente in cui eseguire i programmi applicativi e in cui offrire servizi Le categorie di servizi di un SO: Programma di controllo delle periferiche Creatore di una astrazione dei dispositivi hardware Interfaccia con l utente Esecuzione dei programmi Operazioni di I/O (Input/Output) Assegnatore delle risorse di sistema ai programmi in esecuzione Ottimizzatore del sistema per soddisfare le aspettative dell utente finale Realizzatore dell interfaccia di comunicazione tra l utente finale ed il calcolatore Gestione del file system Comunicazioni Gestione degli errori Assegnazione delle risorse Contabilizzazione delle risorse Protezione e sicurezza SO SO Tipologie di interfacce utente Interfaccia a lotti Interfaccia a lotti comandi codificati insieme ai file da eseguire L interfaccia a lotti (batch) è una interfaccia utente non interattiva L utente descrive in anticipo tutto il lavoro che deve essere svolto tipica dei SO dei mainframe Riga di comando (CLI, Command Line Interface) shell di comandi tipica dei minicalcolatori e dei primi microcalcolatori Nei dei mainframe veniva utilizzato un linguaggio apposito detto Job Control Language Nei moderni gli utenti possono descrivere un insieme di operazioni (job) da svolgere in sequenza od in parallelo Interfaccia grafica (GUI, Graphical User Interface) gestore delle finestre tipica dei general-purpose moderni Le shell di comandi possono leggere i comandi da eseguire da file su disco chiamati script Nei file script è possibile utilizzare un linguaggio di programmazione interpretato per implementare test condizionali, iterazioni, ecc. Esistono linguaggi interpretati specializzati per l amministrazione di sistema (es.: Perl) SO SO

7 Interprete dei comandi Comandi interni ed esterni L interprete dei comandi è una interfaccia utente basata sull idea di linea comando CLI, Command Line Interface Quando l interfaccia è pronta ad accettare un nuovo comando visualizza sulla console o terminale una stringa di caratteri detta prompt (ad esempio, $ ) In molto semplici l interprete dei comandi è integrato nel nucleo del sistema operativo Nella maggior parte dei casi l interprete dei comandi è realizzato da un programma di sistema detto shell In MS Windows: Command shell (CMD.EXE), PowerShell In Unix: Bourne shell (sh), Bourne Again shell (bash), Korn shell (ksh), C shell (csh, tcsh), Z shell (zsh),... Due diversi tipi di comandi: Comandi esterni: file eseguibili su disco contenenti il programma che realizza le operazioni richieste La shell crea un processo per eseguire il comando esterno I file eseguibili sono memorizzati in directory predefinite In Unix e MS Windows la variabile d ambiente PATH memorizza una lista di directory in cui la shell cerca il comando esterno Esempi in Linux: ls, rm, cp Comandi interni: le operazioni richieste sono eseguite direttamente dalla shell senza creare un nuovo processo Esempio: $ date -R Esempio: Wed, 02 Mar :53: Esempio: $ _ Esempi in Bash: cd, alias, jobs SO SO Interfaccia grafica Interfaccia grafica (2) L interfaccia grafica consente all utente di interagire con il sistema tramite pulsanti, icone e menù attivabili con mouse e/o tastiera Acronimo inglese: GUI (Graphical User Interface) La prima GUI usata nello Xerox Alto (1973) : Apple Lisa e Macintosh Source: : MS Windows v1, v2, e v3 Source: it.wikipedia.org SO Source: SO

8 Interfaccia grafica (3) Nei sistemi MS Windows attuali la GUI è integrata nel SO Nei sistemi Apple Mac OS X più recenti la GUI è implementata da Un window server chiamato Quartz Compositor Un window manager chiamato Aqua Nei sistemi Linux la GUI è in genere implementata da il window server X Window System X11 (MIT, 1984) oppure il nuovo Wayland compositor un window manager come Gnome, KDE o Xfce Tutte le GUI tentano di facilitare l interazione con l utente ricreando sullo schermo una scrivania (desktop) virtuale con cartelle (directory), fogli (documenti), cestino, orologio,... SO