PARTE 1 CONCETTI INTRODUTTIVI 2

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1 PARTE 1 CONCETTI INTRODUTTIVI CHE COSA È UN S.O EVOLUZIONE STORICA DEI S.O SINGLE USER SYSTEMS SISTEMI BATCH SISTEMI TIME SHARING SISTEMI REAL TIME SISTEMI TRANSAZIONALI RICHIAMI STRUTTURA SISTEMI DI CALCOLO ARCHITETTURE DI UN S.O SERVIZI DI UN S.O IL KERNEL ARCHITETTURE PRINCIPALI LA CHIAMATA A SUPERVISORE (SYSTEM CALL) 9 1

2 Concetti Introduttivi 1.1 Che cosa è un S.O. Un sistema operativo è un insieme di programmi che operano sull hardware per semplificare la stesura di programmi, gestire le risorse hardware e fornire un interfaccia utente. Il sistema operativo definisce una macchina virtuale e quindi un insieme di astrazioni che semplificano lo sviluppo delle applicazioni, inoltre realizza politiche di gestione delle risorse hardware definendo i criteri con cui assegnare una risorsa a fronte di più richieste concorrenti. Ha una struttura di questo tipo: 1.2 Evoluzione storica dei S.O Single user systems I primi calcolatori avevano come periferiche di ingresso lettori di schede e di nastri perforati e come periferiche di uscita stampanti e perforatori di schede. Essi non avevano un vero e proprio sistema operativo, ma esso era fatto di poche linee di codice (prese da librerie di uso comune). In più aveva un loader che prendeva il programma e lo eseguiva. SVANTAGGI: bassa percentuale di utilizzo delle risorse hardware S.O. LOADER+ LIBRERIE DI USO COMUNE Sistemi Batch In questo tipo di sistemi i lavori sono raggruppati in lotti e memorizzati su schede magnetiche e vengono eseguiti in maniera sequenziale. In questo modo il programmatore non è più a stretto contatto con la macchina. Tra tali schede ve ne sono alcune speciali di controllo che vengono interpretate da una specie di MONITOR. VANTAGGI: non essendoci interazioni con l utente, le operazione di I/O sono più veloci. SVANTAGGI: tempi di attesa casuali, essendo l esecuzione sequenziale. S.O. LOADER+SEQUENZIATORE+PROCESSORE DI OUTPUT Sistemi Batch multiprogrammati Il problema dei sistemi batch è la differenza tra velocità della CPU e la velocità dei dispositivi di I/O. per migliorare questa problematica furono introdotti MEMORIA DI MASSA e DMA (Direct Memory Access permette ai dispositivi di I/O di accedere direttamente alla memoria senza l aiuto della CPU). Quindi diversi job vengono caricati in memoria di massa, la CPU viene assegnata alternativamente a ciascuno di essi. In particolare quando un job deve attendere una operazione di I/O, la CPU viene assegnata ad un altro job per ottimizzare i tempi. Viene introdotta quindi la MULTIPROGRAMMAZIONE che permette di alternare l esecuzione dei programmi. 2

3 1.2.3 Sistemi Time sharing Sono sistemi interattivi che hanno contatto diretto con gli utenti. In particolare tali sistemi utilizzano la multiprogrammazione per la gestione di un gruppo di task interattivi. Il tempo del processore è condiviso tra più utenti, dove ciascuno di essi opera come se avesse un sistema dedicato. Ad ogni programma viene assegnata una porzione di tempo detta TIME_SLICE, al termine della quale se il programma ha terminato o meno, il controllo della CPU passa ad un altro programma. VANTAGGIO: l utente opera con un sistema dedicato SVANTAGGIO: OVERHEAD introdotto a causa dei continui cambi di contesto N.b. con overhead intendiamo le risorse accessorie, richieste in sovrappiù rispetto a quelle strettamente necessarie per ottenere un determinato scopo Sistemi Real time Sono sistemi in cui il calcolatore è dedicato a controllare il giusto funzionamento di un sistema fisico. In particolare il sistema, mediante alcuni sensori, legge periodicamente il valore delle grandezze fisiche e con dei programmi appositi detti TASK li confronta con dei valori corretti per vedere se rientrano tra tali valori. Se non dovessero rientrare in tali valori, il sistema operativo cerca mediante degli attuatori di riportarli nello stato corretto. Ogni task deve completare ciascuna delle proprie esecuzioni cicliche in un certo tempo detto DEADLINE DEL TASK. Sistema real-time Sensori Attuatori Ambiente operativo 1.3 Sistemi transazionali Trattasi di sistemi interattivi destinati ad eseguire transazioni, ossia sequenze di operazioni elementari che richiedono l esecuzione ciascuna di un programma o di una sua parte. In un sistema transazionale l utente interroga ed aggiorna archivi. Tutti gli utenti operano sugli stessi archivi e richiedono l esecuzione delle stesse operazioni elementari, fornendo i propri dati. 3

4 1.4 Richiami struttura sistemi di calcolo il sistema operativo deve gestire tutte le risorse di calcolo. La CPU esegue programmi con il ciclo del processore. La fase di Fetch opera sulla memoria, il processore preleva la prossima istruzione da eseguire dalla memoria. La prossima istruzione è custodita in un registro che è chiamato PC- program counter. Le variabili sono allocate nello Stack e vi si accede tramite il puntatore SP-stack pointer. L'accesso alla memoria non avviene direttamente, ma mediante un bus indirizzamento. Il processore comunica anche con le periferiche attraverso il bus con delle istruzioni macchina dette istruzioni di i/o. Questo dipende anche da come il processore realizza il colloquio i/o, in particolare se lo realizza con l'architettura Memory Mapped la periferica viene mappata su un indirizzo di memoria virtuale è più che accedere a tale indirizzo il processore accede al controllore della periferica. In pratica il processore non parla direttamente con la periferica ma interagisce con il suo controllore Durante il colloquio con le periferiche il ciclo del processore può essere interrotto. Le interruzioni servono a gestire meglio le operazioni con le periferiche esterne ed ottimizzare i tempi morti. Quindi accade che la CPU prepara le operazioni di input output interagendo con il controllore, una volta che il controllore è stato programmato la periferica va avanti da sola, mentre fa quest'operazione la CPU fa altro. Appena la periferica ha finito Invia un segnale di interruzione alla CPU per riprendere l'esecuzione. Esistono vari tipi di interruzioni: - interrupt hardware: sono dovute sia alle periferiche che al timer o clock (quando scade il timer invia un interruzione alla CPU e questo viene utilizzato ad esempio dai S.o. time sharing). Queste interruzioni vengono dette ASINCRONE all elaborazione. - interrupt software: sono dovute ad eccezioni generate da programmi in esecuzione. Tali interrupt sono dette SINCRONE rispetto all elaborazione perché avvengono a tempo di esecuzione. Un programma può girare in due modalità: - UTENTE ha un accesso limitato, non può accedere a certi indirizzi di memoria, non può eseguire certe operazioni, etc - SUPERVISORE(o KERNEL) ha accesso a tutti gli indirizzi di memoria e a tutte le operazioni, come ad esempio registri di memoria che contengono il sistema operativo oppure gestire interruzioni Questa condizione è presente nel registro di stato, dove c è un apposito bit che mi dice se sono in modalità utente o supervisore. Se da modo utente genero una interruzione, l hardware va a settare il bit alto ed entro in modalità supervisore. Per entrare quindi in modo supervisore devo farlo a valle di una interruzione (che può essere ad esempio una System call). 4

5 Gestione delle interruzioni Quando un segnale di interrupt viene inviato alla CPU, la CPU termina l esecuzione dell istruzione corrente, dopo di che verifica la presenza dell interruzione (del segnale INT nel ciclo del processore), se essa è presente invia una conferma (ack) al device che ha generato l interrupt. A questo punto la CPU salva sullo stack le informazioni necessarie a riprendere in seguito le operazioni interrotte, e specialmente i registri da salvare sono: - Program counter - Stack pointer - Registro di stato - Altri registri fondamentali le interruzioni sono mappate con degli indici, quindi ci sarà un vettore delle interruzioni in una parte particolare della memoria. La CPU in base a questo indice seleziona lisr (Interrupt Service Routine). Nel vettore delle interruzioni non ci sarà altro che per ogni interruzione l indirizzo bade dell ISR relativa a quella particolare interruzione e il valore del registro di stato da posizionare nel processore prima di iniziare ad eseguire quella particolare ISR. Tutti questi passaggi sono necessari per passare in modalità supervisore. Ricapitolando, una interrupt viene effettuata secondo il seguente schema: 1. Un segnale di interrupt request (INT) viene inviato alla CPU. 2. La CPU termina l esecuzione dell istruzione corrente. 3. La CPU verifica la presenza del segnale INT e se lo trova invia una conferma (ACK) al device che ha generato l interrupt. 4. La CPU salva sullo stack le informazioni necessarie a riprendere l elaborazione interrotta: verranno salvati i registri PC, SP E SR. 5. La CPU seleziona l interrupt handler appropriato tramite il vettore di interrupt (ISR). 6. Viene caricato il PC con l indirizzo iniziale dell handler e del PS con il valore da caricare. Queste due informazioni sono contenute nel vettore delle interrupt. Queste sei operazioni vengono svolte in hardware. 7. Viene salvato lo stato del processore sullo stack, area di memoria che serve al processo. Ogni processo ha uno stack nella RAM, protetta. 8. Gestione dell interrupt: lettura delle informazioni di controllo provenienti dal dispositivo ed eventuale nuova comunicazione col dispositivo. 9. Ripristino dello stato del processore. 10. Ritorno del controllo al processo in esecuzione, ripristina il PC e lo SR Tecniche di comunicazione di I/O - I/O programmato la CPU permane in un ciclo di POLLING fino a che l operazione non termina; questa tecnica prevede un grosso svantaggio poiché richiede tempi troppo lunghi che non permettono multitasking - I/O interrupt-driven il sistema operativo sospende il processo e nel frattempo fa altr cose. Quando il dispositivo termina invia una interruzione al sistema operativo, e quindi parte l ISR che rimette in esercizio il processo - DMA(Direct Memory Access) trasferisce blocchi di memoria dal buffer, direttamente alla memoria centrale, senza l intervento della CPU N.B. la CPU non accede alla memoria mentre il DMA è in funzione perché il bus è unico ed è occupato proprio dal DMA. Sul bus c è quindi accesso esclusivo, quindi c è accesso esclusivo anche alla memoria. Il DMA compete con la CPU per l utilizzo del bus di sistema. Quando riceve il permesso di utilizzo del bus, 5

6 mette direttamente in comunicazione la periferica con la memoria centrale. L interrupt c è lo stesso, ma si evita di averne una per ogni byte da trasferire, si avrà una sola interruzione per l intero blocco da trasferire. Organizzazione delle memorie Le memorie vengono organizzate in gerarchie in base alla velocita, costo e dimensione. Caching è l uso di memorie più veloce per consentire un accesso repentino ai dati consultati più di recente. Ad ogni accesso in memoria il processore controlla prima nella cache. Se il dato è presente (cache hit) si accede direttamente alla cache, altrimenti (cache miss) alla memoria centrale. Elementi della Cache: Contenuto: blocco di locazioni contigue della memoria centrale. V: bit di validità. Tag: identifica il contenuto con la parte comune a tutti gli indirizzi delle locazioni. Nei sistemi multiprogrammati/multiutente è utile applicare meccanismi di protezione della memoria a causa dell accesso contemporaneo. Si aggiungono all hardware due registri che determinano l intervallo degli indirizzi accessibili da un processo: Registro Base: più piccolo indirizzo di memoria fisica Registro Limite: ampiezza intervallo memoria I processori moderni presentano due stati di funzionamento: user (non privilegiato) e kernel (privilegiato) mode. Per proteggere l hardware, le istruzioni di accesso e modifica di una risorsa fisica devono essere effettuare in modalità supervisore. Differenza tra eccezione ed interruzione La differenza sostanziale tra un interruzione e un eccezione è che: nella prima tutte le operazioni effettuate dal SO per soddisfare l interruzione non sono visibili all utente, invece nella seconda nel caso quando abbiamo un eccezione il SO si comporta in modo tale da eseguire il relativo exception handler del programma che solleva l eccezione oppure,in mancanza di quest ultima, il SO uccide il processo affida il controllo della CPU a un altro programma, quindi si nota che gli effetti delle eccezioni sono visibili al programma utente e causano un alterazione del flusso di controllo. Discorso a parte per le System Call che al programma utente appaiono come una normale funzione di libreria eseguibile sotto il suo controllo. 6

7 1.5 Architetture di un S.O. Ogni livello del sistema operativo è composto da un diverso strato di astrazione: Hardware -> Linguaggio macchina nudo e crudo. Nucleo -> interfaccia tra applicazioni e hardware. Memoria virtuale -> Astrae la memoria RAM, questo livello consente di far riferimento a spazi di indirizzi virtuali, garantisce la protezione, consente in taluni casi di ignorare se il programma e/o i dati siano fisicamente residenti in memoria centrale o su memoria di massa (disco) Astrazioni delle periferiche -> a questo livello la macchina virtuale realizzata dal SO dispone di periferiche dedicate ai singoli processi, maschera le caratteristiche fisiche delle periferiche e gestisce parzialmente i malfunzionamenti delle periferiche File System -> Al livello file system la macchina virtuale realizzata dal S.O. gestisce blocchi di informazioni su memoria di massa strutturati logicamente, ne controlla gli accessi e ne gestisce l organizzazione. 1.6 Servizi di un S.O. Cosa succede quando il sistema operativo è in esecuzione? 1. La CPU carica il boot program dalla ROM 2. Boot program: Esamina/Controlla la configurazione del calcolatore Costruisce un struttura dati che descrive la configurazione hardware del sistema Carica il nucleo del Sistema Operativo (kernel) 3. Inizializzazione del SO: Inizializzazione della struttura dati del kernel Inizializzazione dei dispositivi hardware Creazione di un certo numero di processi, fondamentali per l utilizzo stesso del SO 4. Dopo che i processi di base sono stati creati,il SO può eseguire dei programmi utente, se disponibili, altrimenti il SO esegue il cosiddetto IDLE LOOP 5. idle loop: Il SO esegue un ciclo infinito (UNIX) Il SO esegue alcune operazioni di background per la gestione del sistema stesso Il SO può sospendere il processore e configurare lo stato del sistema in low-power-mode 6. Il SO si sveglia a seguito di : Interruzioni da dispositivi hardware, eccezioni generate da programmi utente o System calls invocate da programmi utente. 7

8 1.7 Il kernel Il kernel è il componente centrale di ogni sistema operativo. Utilizzando varie modalità di gestione tra le quali la comunicazione tra processi e le chiamate di sistema fa da ponte tra le componenti hardware di un computer come processore, RAM e hard disk e i programmi in esecuzione sul computer stesso. Data la sua rilevanza, è il primo programma ad essere caricato in memoria quando si accende un computer e l'ultimo ad essere chiuso in fase di spegnimento. Il Kernel è quella parte del sistema operativo che risiede in memoria principale e contiene le funzioni più utilizzate del sistema operativo. A livello kernel la macchina virtuale realizzata dal sistema operativo possiede tante unità centrali quanti sono i processi (si tratta di processori virtuali), non possiede meccanismi di interruzione e possiede istruzioni di sincronizzazione e scambio di messaggi tra processi che operano sui processori virtuali. Kernel monolitico Un kernel monolitico, come il kernel Linux, contiene in un unico file tutte le funzioni primarie di un sistema operativo e i driver delle varie periferiche collegate al computer. Questa tipologia di kernel è composta da vari moduli, uno per ciascuna delle funzioni da svolgere o per ciascuna delle periferiche da gestire. Maggiore sarà il numero di moduli che lo compongono, maggiore sarà la grandezza del file risultante e maggiore il tempo richiesto al sistema per caricarlo in memoria. Microkernel L'approccio che ha portato alla creazione dei microkernel è diametralmente opposto a quella appena descritta. Mentre il kernel monolitico contiene tutti i moduli necessari al funzionamento del computer, un microkernel implementa solamente alcune funzioni basilari come la gestione della memoria, il multitasking e la comunicazione tra processi demandando le altre funzionalità a programmi terzi chiamati server. 8

9 1.8 Architetture principali - Architetture monolitiche: i primi sistemi operativi erano costituiti da un unico programma senza suddivisioni. Il sistema operativo era costituito da un insieme di procedure di servizio (scritte in assembler) a ciascuna delle quali corrispondeva una chiamata di sistema. Con il crescere della complessità dei sistemi di elaborazione questo tipo di sistema operativo è andato pian piano scomparendo, per poi fare spazio alle architetture modulari. - Architetture modulari: il sistema operativo è organizzato in moduli, ognuno destinato ad offrire una funzionalità di sistema. È composto da una interfaccia e da un corpo. Strutturato come collezione di moduli caricabili. o Interfaccia: specifica le funzionalità offerte, e in particolare il modo in cui usarle o Corpo: contiene l implementazione vera e propria Ogni modifica al corpo lascia inalterata l interfaccia, e quindi non influenza il resto del sistema. - Architetture a livelli: sono sistemi operativo modulari, organizzati poi a livelli; le interazioni avvengono solo tra livelli adiacenti. Anche per Unix abbiamo a disposizione un architettura a livelli. - Architetture a microkernel: in questo tipo di sistemi, quando un processo applicativo (detto Client) deve utilizzare una risorsa, deve interagire con un Server, attraverso dei particolari meccanismi di comunicazione offerti dal Microkernel. L obiettivo principale è la separazione delle implementazione dei servizi base, dalle strutture operative del sistema. 1.9 La Chiamata a Supervisore (SYSTEM CALL) Qualunque richiesta di sistema (come ad esempio apertura di un file, lettura di dati da un file, comunicazione tra processi, etc ) deve essere inoltrata attraverso una system call, la quale soddisfa le richieste di un determinato servizio di sistema. Ci sono diverse categorie: - CONTROLLO DI PROCESSO (es. execute, allocate mem, free mem, ) - MANIPOLAZIONE DEI FILE (es. create, delete, open, close, ) - GESTIONE DEI DISPOSITIVI (es. read, write, ) - GESTIONE DELLE INFORMAZIONI (es. get time, set time, ) - COMUNICAZIONE(es. send, receive, ) L esecuzione di una system call da parte di un processo utente corrisponde all attivazione di una parte del Kernel a favore dello stesso processo, per espletare il servizio o acquisire la risorsa. Quando il Kernel o parte di esso viene eseguito a favore di un processo, si dice che tale processo viene eseguito in Kernel mode. Una volta acquisita la risorsa dal Kernel, il processo utente torna nella User mode. La transizione dallo stato user mode allo stato di kernel mode viene effettuata quindi mediante la chiamata di una delle system call, mentre la transazione inversa avviene all atto della chiamata di return della system call stessa. 9

10 PARTE 2 GESTIONE DEI PROCESSI CONCETTO DI PROCESSO STATI DI UN PROCESSO DESCRITTORE DI UN PROCESSO CODE DI PROCESSI IL CAMBIAMENTO DI CONTESTO CREAZIONE E TERMINAZIONE DI UN PROCESSO LA GESTIONE DEI PROCESSI NEI SISTEMI OPERATIVI LINUX DIAGRAMMA DEGLI STATI IMMAGINE DI UN PROCESSO UNIX I MECCANISMI DI CREAZIONE E TERMINAZIONE DI PROCESSI: LE PRIMITIVE FORK/JOIN LA GESTIONE DEI PROCESSI NEI SISTEMI OPERATIVI WINDOWS STATI DEI THREAD WINDOWS. 6 1