Cos è un sistema operativo 1

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1 Il software può essere diviso in due grandi classi: Cos è un sistema operativo 1 i programmi di sistema, che gestiscono le funzionalità del sistema di calcolo i programmi applicativi, che risolvono i problemi degli utenti L insieme dei programmi di sistema viene comunemente identificato con il nome di Sistema Operativo (SO) Definizione: Un sistema operativo è un programma che controlla l esecuzione dei programmi applicativi ed agisce come interfaccia fra le applicazioni e l hardware del calcolatore 1

2 Il SO come macchina estesa 1 Visione a strati delle componenti hardware/software che compongo un sistema di elaborazione 2

3 Il SO come macchina estesa 2 Il SO può essere inteso come uno strumento che virtualizza le caratteristiche dell hardware sottostante, offrendo all utente la visione di una macchina astratta più potente e più semplice da utilizzare di quella fisicamente disponibile In questa visione, un SO nasconde a programmatori/utenti i dettagli dell hardware e fornisce un interfaccia conveniente e facile da usare agisce come intermediario tra programmatore/utente e hardware Parole chiave Indipendenza dall hardware Comodità d uso Programmabilità 3

4 Il SO come macchina estesa 3 L utente è in grado di utilizzare la macchina fisica senza conoscere i dettagli della sua struttura interna e del suo funzionamento 1. Hardware fornisce le risorse fondamentali di calcolo (CPU, memoria, device di I/O) 2. Sistema Operativo controlla e coordina l utilizzo delle risorse hardware da parte dei programmi applicativi dell utente 3. Programmi Applicativi definiscono le modalità di utilizzo delle risorse del sistema, per risolvere i problemi di calcolo degli utenti (compilatori, database, video game, programmi gestionali) 4. Utenti persone, altri macchinari, altri elaboratori Applications Systems software Hardware software Visione a cipolla del sistema di calcolo 4

5 Architettura del sistema operativo I SO sono costituiti da un insieme di moduli, ciascuno dedicato a svolgere una determinata funzione I vari moduli del SO interagiscono tra loro secondo regole precise, al fine di realizzare le funzionalità di base della macchina Gestore dell I/O Interfaccia utente Gestore del File System L insieme dei moduli per la gestione della CPU e della memoria centrale è il kernel Gestore dei Processi Gestore della Memoria Centrale KERNEL 5

6 Bootstrap -1 All accensione di un calcolatore vengono attivati programmi di diagnostica scritti nella ROM (Read Only Memory) che verificano l assenza di guasti Poi viene attivato il programma di bootstrap che è sempre memorizzato nella ROM Il bootstrap trasferisce una parte prestabilita della M di massa (disco rigido, CD o floppy) in M principale (kernel del SO) Poi l utente puo impartire comandi al SO attraverso l interfaccia utente (tastiera, mouse )

7 Bootstrap -2

8 Bootstrap -3 Dopo il bootstrap l'utente può iniziare a impartire comandi al sistema operativo utilizzando l'interfaccia utente Il codice del comando deve essere in memoria principale (o caricato dalla m.s.) La sua esecuzione è attivata dalla CPU modificando il registro P della CPU (program counter)

9 Shutdown Quando il calcolatore viene spento una fase di shutdown si assicura che tutte le informazioni che temporaneamente il SO ha caricato su memoria volatile vengano memorizzate su memoria di massa prima che l energia venga tolta dalla macchina

10 Struttura del SO Servizi richiesti dagli utenti al SO Interfaccia nucleo verso l esterno nucleo File system Gestore I/O Gestore processi Gestore memoria Gestore processori hardware

11 Struttura di un SO Elementi principali di un SO: Shell (interfaccia SO e utente) Kernel (insieme di programmi che realizzano le funzioni di base di un calcolatore)

12 Sistema operativo: shell Shell (guscio): interfaccia tra SO e utenti E il programma che permette agli utenti di comunicare con il sistema e di avviare I programmi Di solito grafica (GUI Graphical User Interface), ma anche testuale

13 Sistema operativo: kernel (1) Kernel (nucleo): programmi per le funzioni base del calcolatore da 100 Kilobyte a 100 Megabyte Kernel suddiviso in moduli Ogni modulo ha una funzione diversa Funzioni piu importanti: gestione processi gestione processori gestione memoria (principale e secondaria) gestione dispositivi di I/O

14 Sistema operativo: kernel (2) Funzioni piu importanti: gestione processi: controlla la sincronizzazione, l interruzione e la riattivazione dei programmi in esecuzione gestione processori: assegna il processore ai programmi che devono essere eseguiti (e gestisce la cooperazione tra varie CPU nel caso di piu calcolatori) gestione memoria (principale e secondaria): gestisce la collocazione dei dati e dei programmi nella RAM, la memorizzazione e il reperimento delle informazioni sulla memoria secondaria gestione dispositivi di I/O (gestisce l accesso e il controllo dei dispositivi periferici)

15 Gestione dei processi Un SO consente il caricamento in memoria e l'esecuzione di più programmi che si alternano nell'uso della CPU. Per far ciò un programma può essere eseguito, sospeso e fatto ripartire più volte.

16 Programmi e processi Programma: insieme statico di istruzioni Processo: entita che tiene traccia dello stato dell esecuzione di un programma Posizione nel programma Valori dei registri della CPU Valori delle celle di M assegnate al programma Anche piu processi per lo stesso programma Es.: due utenti che usano Word per scrivere due documenti diversi

17 Processi e SO SO puo gestire simultaneamente piu programmi Ogni programma puo essere fermato e fatto ripartire piu volte Quindi ogni SO deve avere una struttura (detta processo) in grado di mostrare, istante per istante, lo stato di avanzamento di ciascun programma (PCB)

18 La gestione dei processi 1 Un processo è un programma in esecuzione Un processo utilizza le risorse fornite dal sistema di elaborazione per assolvere ai propri compiti La terminazione di un processo prevede il recupero di tutte le risorse riutilizzabili ad esso precedentemente allocate Normalmente, in un sistema vi sono molti processi, di alcuni utenti, e alcuni sistemi operativi, che vengono eseguiti in concorrenza su una o più CPU La concorrenza è ottenuta effettuando il multiplexing (multiplazione) delle CPU fra i vari processi 18

19 La gestione dei processi 2 Il sistema operativo è responsabile delle seguenti attività riguardanti la gestione dei processi: creazione e terminazione dei processi sospensione e riattivazione dei processi gestione dei deadlock comunicazione tra processi sincronizzazione tra processi Il gestore dei processi realizza una macchina virtuale in cui ciascun programma opera come se avesse a disposizione un unità di elaborazione dedicata 19

20 La gestione dei processi 3 Il gestore dei processi è il modulo che si occupa del controllo, della sincronizzazione, dell interruzione e della riattivazione dei programmi in esecuzione cui viene assegnato un processore La gestione dei processi viene compiuta secondo modalità diverse, in funzione del tipo di utilizzo cui il sistema è rivolto Il programma che si occupa della distribuzione del tempo di CPU tra i vari processi attivi, decidendone l avvicendamento, è chiamato scheduler Nel caso di sistemi multiprocessore, lo scheduler si occupa anche di gestire la cooperazione tra le diverse CPU presenti nel sistema (bilanciandone il carico) 20

21 Sistemi mono tasking I SO che gestiscono l esecuzione di un solo programma per volta (un solo processo) sono detti mono tasking Non è possibile sospendere un processo per assegnare la CPU ad un altro Sono storicamente i primi SO (es. MS DOS) C B Tempo di utilizzo della CPU Tempo di attesa di eventi esterni A T t 21

22 Sistemi multi tasking tasking I SO che permettono l esecuzione contemporanea di più programmi sono detti multi tasking tasking o multi programmati Un programma può essere interrotto e la CPU passata a un altro programma C B Tempo di utilizzo della CPU Tempo di attesa di eventi esterni A t Tmulti-tasking Tmono-tasking 22

23 Un evoluzione dei sistemi multi tasking sono i sistemi time sharing Ogni processo viene eseguito ciclicamente per piccoli quanti di tempo (TIME SLICE) Se la velocità del processore è sufficientemente elevata si ha l impressione di un evoluzione parallela dei processi Esempio Sistemi time sharing Ipotesi: 1 MIPS, 4 processi, 0.25 s/utente Conseguenze: 0.25 MIPS/utente, 0.75 T ELA = 4 T CPU C B D 0.00 A

24 Time sharing: diagramma temporale D Processo CPU burst A 3 B 2 C 4 D 3 C B A t 24

25 Time-sharing (condivisione di tempo)

26 Gestione della coda Un processo in esecuzione puo essere interrotto per vari motivi: Quanto esaurito Esecuzione completata Subentra un processo con maggiore priorita Ha fatto una richiesta di un operazione di I/O ->entra nella lista dei processi bloccati modifica del program counter tocca al vettore di interrupt (diverso per ogni evento) Politica di scelta del successivo processo da eseguire: FIFO: First in First out SJF: Shortest Job First Deadline (si esegue prima il processo con la scadenza piu vicina) SRT: Shortest Remaining Time

27 Transizioni tra stati di un processo In esecuzione schedulazione pronti fine tempo, evento esterno richiesta di I/O In attesa conclusione I/O Coda ordinata in attesa della CPU Insieme in attesa di eventi

28 Riassumendo... I processi sono messi in una coda dei pronti Il processo in cima alla coda ha a disposizione la CPU per un quanto di tempo, fissato e uguale per tutti Quando il tempo finisce, viene interrotto e messo in fondo alla coda Se richiede un operazione di I/O, va nel gruppo dei processi in attesa, quando l operazione finisce viene rimesso in coda per la CPU La CPU va al primo in coda (o altre strategie) Durante la vita di un processo, vari stati: In esecuzione: quando usa la CPU (solo un processo alla volta) Pronto: quando aspetta la CPU Bloccato: in attesa di un evento (es.: fine di op. di I/O)

29 Chi si occupa delle fasi di transizione??? INTERRUPT: segnali hardware che provocano la modifica del registro PC e l'esecuzione di un particolare programma (vettore di interrupt) che serve a gestire l'evento associato all'interruzione SCHEDULER: ha il compito di gestire la coda dei processi pronti e l'avvicendarsi dei processi

30 Gestione dei processi: Scheduler (1) Tiene traccia di tutti i processi A ogni processo e associata una Tabella (detta tabella di processo) in M Principale Identificativo Indirizzo prossima istruzione Contenuto registri CPU Stato corrente (Esecuzione, Bloccato, Pronto) Informazioni per gestire la M (collocazione in M centrale di dati e programmi) Priorita I/O (richieste inoltrate, dispositivi allocati al processo) Accounting (ammontare di CPU time gia speso)

31 Gestione dei processi: Scheduler (2) Usando questa tabella si possono compiere le seguenti operazioni Creazione (un processo puo crearne altri) Cambio di priorita Blocco Assegnamento della CPU Terminazione

32 Attesa Se il processo richiede operazioni ad altri dispositivi (es. Operazioni di I/O), la CPU rimarrebbe inutilizzata -> lo scheduler mette il processo in stato di attesa, e il dispatcher (modulo che implementa le decisioni prese dallo scheduler) sceglie un nuovo processo tra i pronti dalla tabella Quando l operazione sara finita, lo scheduler dichiarera di nuovo pronto il processo

33 Sistemi multiprocessore Reti di calcolatori: vari calcolatori che si scambiano dati Es.: Internet Una rete e un sistema multiprocessore con una CPU su ogni calcolatore Anche singoli calcolatori con piu CPU Non solo coordinamento delle attivita di ogni processore, ma anche bilanciamento del carico: distribuzione dinamica ed efficiente dei task ai vari processori Scalabilita : suddivisione dei task in sotto-task compatibile con il numero dei processori

34 Sistemi multiprocessore Reti di calcolatori: vari calcolatori che si scambiano dati Es.: Internet Una rete e un sistema multiprocessore con una CPU su ogni calcolatore Anche singoli calcolatori con piu CPU Non solo coordinamento delle attivita di ogni processore, ma anche bilanciamento del carico: distribuzione dinamica ed efficiente dei task ai vari processori Scalabilita : suddivisione dei task in sotto-task compatibile con il numero dei processori

35 Gestione dei processori La gestione dei processori riguarda i criteri in base ai quali i processori vengono assegnati ai vari processi Abbiamo già visto lo scheduler (ditribuisce il tempo della cpu tra i vari processi) e il dispacher (copia in memoria i registri del processo in esecuzione, copia i registri del processo cui assegnare la CPU, salta alla locazione da cui il nuovo programma deve partire o ripartire. Lo scheduler compie le proprie scelte cercando di ottimizzare vari criteri: max uso della CPU, max numero di elaborazioni,...

36 Parametri di valutazione della gestione dei processori Tasso di uso CPU (deve essere massimo) Throughput (n. di processi completati per unita di tempo) Elapsed time (tempo tra la sottomissione di un processo e il suo completamento) Tempo di attesa (tempo passato in attesa nella coda dei processi pronti)

37 La memoria principale è un array di byte indirizzabili singolarmente è un deposito di dati facilmente accessibile e condiviso tra la CPU ed i dispositivi di I/O Il SO è responsabile delle seguenti attività riguardanti la gestione della memoria principale: La gestione della memoria principale 1 Tenere traccia di quali parti della memoria sono usate e da chi Decidere quali processi caricare quando diventa disponibile spazio in memoria Allocare e deallocare lo spazio di memoria quando necessario Il gestore di memoria realizza una macchina virtuale in cui ciascun programma opera come se avesse a disposizione una memoria dedicata 37

38 La gestione della memoria principale 2 L organizzazione e la gestione della memoria centrale è uno degli aspetti più critici nel disegno di un SO Il gestore della memoria è quel modulo del SO incaricato di assegnare la memoria ai task (per eseguire un task è necessario che il suo codice sia caricato in memoria) La complessità del gestore della memoria dipende dal tipo di SO Nei SO multi tasking, più programmi possono essere caricati contemporaneamente in memoria Problema: come allocare lo spazio in maniera ottimale? 38

39 Memoria reale Nessun problema se un programma per volta (tecnica di overlay) Se più task si partiziona la memoria: Partizioni fisse Partizioni variabili (un programma occupa il minimo spazio possibile per essere eseguito) Attenzione: problema della frammentazione della memoria

40 Allocazione lineare 0000x Programma A PROBLEMA!!!! Programma D FRAMMENTAZIONE FRAMMENTAZIONE Programma B Programma C Memoria 40

41 Paginazione Programma A Programma A Programma A Programma BE Programma B F Programma D Programma F 0000x Memoria 41

42 La memoria virtuale 1 Spesso la memoria non è sufficiente per contenere completamente tutto il codice dei processi Si può simulare una memoria più grande tenendo nella memoria di sistema (RAM) solo le parti di codice e dati che servono in quel momento Si usa il concetto di memoria virtuale I dati e le parti di codice relativi a programmi non in esecuzione possono essere tolti dalla memoria centrale e parcheggiati su disco nella cosiddetta area di swap I processori moderni sono dotati di meccanismi hardware per facilitare la gestione della memoria virtuale 42

43 La memoria virtuale 2 Memoria Programma A-1 Programma B-1 Programma D 0000x Swap Programma A-2 Programma A-3 Programma B-2 43

44 La memoria virtuale 2 Memoria Programma A-2 Programma B-1 Programma D 0000x Swap Programma A-1 Programma A-3 Programma B-2 44

45 Struttura del SO Servizi richiesti dagli utenti al SO Interfaccia nucleo verso l esterno nucleo File system Gestore I/O Gestore processi Gestore memoria Gestore processori hardware

46 Poiché la memoria principale è volatile e troppo piccola per contenere tutti i dati e tutti i programmi in modo permanente, il computer è dotato di memoria secondaria In generale, la memoria secondaria è data da hard disk e dischi ottici Il SO garantisce una visione logica uniforme del processo di memorizzazione: La gestione della memoria secondaria 1 Astrae dalle caratteristiche fisiche dei dispositivi per definire un unità di memorizzazione logica il file Ciascuna periferica viene controllata dal relativo device driver, che nasconde all utente le caratteristiche fisiche variabili dell hardware: modalità e velocità di accesso, capacità, velocità di trasferimento 46

47 La gestione della memoria secondaria 2 Il SO è responsabile delle seguenti attività riguardanti la gestione della memoria secondaria: Allocazione dello spazio Gestione dello spazio libero Ordinamento efficiente delle richieste di accesso al disco (disk scheduling) 47

48 Il file è l astrazione informatica di un archivio di dati La gestione del file system 1 Il concetto di file è indipendente dal mezzo sul quale viene memorizzato (che ha caratteristiche proprie e propria organizzazione fisica) Un file system è composto da un insieme di file Il SO è responsabile delle seguenti attività riguardanti la gestione del file system: Creazione e cancellazione di file Creazione e cancellazione di directory Manipolazione di file e directory Codifica del file system sulla memoria secondaria 48

49 La gestione del file system 2 Il gestore del file system è il modulo del SO incaricato di gestire le informazioni memorizzate sui dispositivi di memoria di massa Nei sistemi multi utente, fornisce meccanismi di protezione per consentire agli utenti di proteggere i propri dati dall accesso di altri utenti non autorizzati Le funzioni tipiche del gestore del file system sono: Fornire un meccanismo per l identificazione dei file Fornire metodi opportuni di accesso ai dati Rendere trasparente la struttura fisica del supporto di memorizzazione Implementare meccanismi di protezione dei dati 49

50 Organizzazione del file system -1 Quasi tutti i SO utilizzano un organizzazione gerarchica del file system L elemento utilizzato per raggruppare più file insieme è la directory L insieme gerarchico delle directory e dei file può essere rappresentato attraverso un grafo (un albero nei SO più datati) delle directory Directory File Grafo delle directory 50

51 Organizzazione del file system -2 I dischi fissi possono essere divisi in partizioni Una partizione e' organizzata gerarchicamente come un albero rovesciato (come quello genealogico) Nodi e collegamenti padre-figlio tra nodi Nodo dell'albero: file o directory Nodi divisi per livelli Collegamenti tra nodi di livelli vicini: nodo sopra = padre, nodo sotto = figlio Ogni nodo ha un solo padre Padre più in alto = radice I nodi che sono file non hanno figli Cammino assoluto o relativo (per file) directory file

52 Indirizzo (o percorso) dei file in Windows partizione Z Z: A a Z:\a b B c C Z:\A\c d e D E Z:\A\C\D\f F f g h Z:\A\C\E\h

53 Indirizzo (o percorso) dei file in Unix/Linux / A a /a b B c C /A/c d e D E /A/C/D/f F f g h /A/C/E/h

54 Gestore della memoria secondaria I byte che compongono I file possono essere organizzati in vari modi: Byte stream (sequenza di byte) Sequenziale (sequenza di record a lunghezza fissa o variabile) Diretto (sequenza di record a lunghezza fissa) A indice (sequenza di record ordinati logicamente secondo un indice)

55 Struttura del SO Servizi richiesti dagli utenti al SO Interfaccia nucleo verso l esterno nucleo File system Gestore I/O Gestore processi Gestore memoria Gestore processori hardware

56 La gestione dei dispositivi di I/O La gestione dell I/O richiede: Un interfaccia comune per la gestione dei device driver Un insieme di driver per dispositivi hardware specifici Un sistema di gestione di buffer per il caching delle informazioni Il gestore dei dispositivi di I/O è il modulo del SO incaricato di assegnare i dispositivi ai task che ne fanno richiesta e di controllare i dispositivi stessi Da esso dipende la qualità e il tipo di periferiche riconosciute dal sistema Il gestore delle periferiche offre all utente una versione astratta delle periferiche hardware; l utente ha a disposizione un insieme di procedure standard di alto livello per leggere/scrivere da/su una periferica che percepisce come dedicata 56

57 L interfaccia utente 1 Tutti i SO implementano meccanismi per facilitare l utilizzo del sistema di calcolo da parte degli utenti L insieme di tali meccanismi di accesso al computer prende il nome di interfaccia utente Serve per attivare un programma, terminare un programma, etc. interagire con le componenti del sistema operativo (gestore dei processi, file system, etc.) 57

58 L interfaccia utente 2 Interfaccia testuale: Interprete dei comandi (shell) Esempio: MS DOS/UNIX Interfaccia grafica (a finestre): L output dei vari programmi viene visualizzato in maniera grafica all interno di finestre L utilizzo di grafica rende più intuitivo l uso del calcolatore Esempio: WINDOWS/Linux Differenze: Cambia il linguaggio utilizzato, ma il concetto è lo stesso Vi sono però differenze a livello di espressività 58

59 L interfaccia grafica Realizza la metafora della scrivania desktop Interazione semplice via mouse Le icone rappresentano file, directory, programmi, azioni, etc. I diversi tasti del mouse, posizionato su oggetti differenti, provocano diversi tipi di azione: forniscono informazioni sull oggetto in questione, eseguono funzioni tipiche dell oggetto, aprono directory folder, o cartelle, nel gergo GUI (Graphical User Interface) 59

60 Conclusioni: i SO oggi Sistemi complessi che presentano miriadi di problemi e milioni di linee di codice ( programmatori per anno) Interazioni complesse Universali (eseguiti su piattaforme diverse) Differenti classi di utenti hanno necessità diverse La performance è cruciale! Poco compresi: Il SO tipicamente dura più di chi lo ha programmato ed è troppo grande per essere compreso da una singola persona Mai completamente privi di errori (OS/360 rilasciato con 1000 bug); comportamenti difficili da prevedere; aggiustamenti spesso eseguiti per tentativi 60

61 Esempi di SO: MS - DOS Sviluppato dalla Microsoft nel 1981 per il PC IBM Adottato da altri con PC IBM-compatibili Molto limitato: mono-utente, mono-tasking Circa 50 comandi per il SO

62 Esempi di SO: MS - DOS Sviluppato dalla Microsoft nel 1981 per il PC IBM Adottato da altri con PC IBM-compatibili Molto limitato: mono-utente, mono-tasking Circa 50 comandi per il SO

63 Comandi piu usati in MS - DOS DIR per vedere il contenuto di una directory COPY per copiare file DEL per cancellare un file REN per cambiare il nome a un file CD per muoversi in un altra directory MD per creare nuove directory RD per cancellare directory Nome file: per eseguire il file (se eseguibile)

64 File in MS - DOS Per individuare un file: cammino assoluto Un file system per ogni disco anche nome del disco Esempio: C:\Dir1\Dir2\Dir3\file.txt Estensioni per file:.exe per programma eseguibile.txt per file di testo.sys per file di sistema.c per programma in C.doc per documento Word

65 Unix SO multi-utente, multi-tasking, con time-sharing Concepito per poter funzionare su diverse piattaforme hardware Interprete dei comandi: shell Piu di 300 comandi, con opzioni Comando man per aiuto Forma di un comando: nome-comando [[-opzioni] argomenti]

66 Comandi Unix ls per vedere il contenuto di una directory cp per copiare file rm per cancellare file mv per spostare file cd per spostarsi in un altra directory mkdir per creare una nuova directory ps per vedere tutti i processi attivi lp per stampare file who per vedere tutti gli utenti collegati

67 File in Unix Unico albero anche se ci sono piu dischi non serve indicare il disco per denotare un file Nei cammini non appare il nome del disco Radice: simbolo / Esempio: /dir1/dir2/dir3/file.txt

68 Windows Nato nel 1987, ispirato al Macintosh All inizio era un interfaccia grafica per DOS Windows 95: SO mono-utente, multi-tasking, time-sharing DOS emulato in speciali finestre (per seguire vecchi applicativi per DOS)

69 Filosofia Windows -- 1 Interfaccia grafica Mouse che sposta un cursore Cut & paste (copia e incolla) Drag & drop (trascina e lascia) Icone associate a file, directory, dischi, Directory come cartelle Pulsanti Finestre: cornici con strumenti Menu di comandi

70 Filosofia Windows -- 2 L utente non deve ricordarsi i nomi dei comandi, basta che selezioni col mouse: un oggetto e il comando da applicare all oggetto File system (cioe l albero): visualizzato come cartelle che contengono icone di file o di altre cartelle Cliccando su una cartella, si apre quella directory Icona del file: diversa a seconda del tipo di file