Il Software. Riferimenti: Curtin cap. 6 Console cap Versione: 09/04/2007Facoltà di Farmacia - Corso di Informatica

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1 Il Software Riferimenti: Curtin cap. 6 Console cap. 4-5 Versione: 1

2 Il Software L hardware da solo è soltanto un manufatto di ferro, plastica e silicio e non è sufficiente per il funzionamento dell elaboratore Occorre utilizzare il software: oftware un insieme di programmi che permettono di trasformare un insieme di circuiti elettronici in un oggetto in grado di svolgere funzioni di varia natura programmabili possono I computer sono programmabili: svolgere compiti diversi in base a istruzioni contenute nei programmi 2

3 Il Software L utilizzo diretto dell hardware è complicato: l utente dovrebbe sapere programmare il programmatore dovrebbe conoscere l hardware e il relativo linguaggio macchina ogni programma dovrebbe essere scritto come sequenza di bit modifiche hardware richiederebbero la riscrittura (parziale) del programma Non accettabile! 3

4 Il Software Occorre fornire all utente un meccanismo per: astrarre dall organizzazione fisica per: usare nello stesso modo (o in modo simile) macchine (hardware) diverse avere un semplice linguaggio di interazione avere un insieme di programmi applicativi per svolgere diversi compiti: elaborare testi, navigare in Internet, ecc. 4

5 Il Software I computer moderni raggiungono questi obiettivi mediante la definizione di macchine virtuali realizzate al di sopra della macchina hardware reale Utente HW macchina virtuale 5

6 Macchine virtuali La macchina virtuale: consiste in un livello software creato sull hardware fornisce le funzionalità desiderate ed è facile da utilizzare è virtuale in quanto non esiste fisicamente, ma viene realizzata mediante il software (sistema operativo) operativo 6

7 Macchine virtuali L'utente interagisce con la macchina virtuale con un linguaggio ad alto livello (interfaccia grafica/testuale) La macchina virtuale traduce ogni comando ad alto livello nell'opportuna serie di comandi per l hardware: astrazione Utente HW linguaggio ad alto livello linguaggio macchina macchina virtuale 7

8 Ovvero, dall 'utente alla macchina fisica

9 Osservazione importante Le macchine virtuali non permettono di fare di piu' di quanto facciano la macchina fisica. Quindi una funzione non eseguibile dalla macchina fisica non sara' mai eseguibile da nessuna gerarchia di macchine virtuali

10 Il sistema operativo Sistema Operativo: Operativo insieme di programmi che interagiscono e cooperano tra di loro in modo da gestire in modo efficiente ed affidabile il computer e le sue periferiche per permettere di memorizzare, elaborare e trasmettere le informazioni creare un ambiente virtuale per facilitare l'interazione uomo-macchina 11

11 Il sistema operativo Gestire in modo efficiente: ottimizzare l'uso della CPU in termini di tempo ottimizzare l'uso della memoria in termini di spazio

12 Il sistema operativo Gestire in modo affidabile: segnalare il malfunzionamento di programmi o elementi dell' hardware, garantire la sicurezza dei dati, dei programmi e degli accessi.

13 Il sistema operativo Esempio: stampa di un file che si chiama Documento A livello fisico questa operazione è complessa e richiede operazioni coordinate dalla CPU Per fortuna, il s.o. fornisce all'utente un comando di stampa: print Documento 14

14 Il sistema operativo Il s.o. esegue un comando seguendo i seguenti passi: 1. verifica se si tratta di un comando valido 2. lo traduce per la macchina fisica 3. eseguito il comando, a) fornisce un riscontro all utente e b) si pone in attesa di un nuovo comando da parte dell utente 15

15 Un po' di storia...

16 Il sistema operativo Utente medesimo linguaggio ad alto livello HW1 macchina virtuale 1 diversi linguaggi macchina Utente HW2 macchina virtuale 2 Macchine fisiche diverse possono essere utilizzate in modo simile costruendo al di sopra macchine virtuali Ogni m. v. fornisce il medesimo linguaggio ad alto livello e traduce i comandi in modo diverso, in funzione del tipo di hardware 17

17 Struttura a cipolla

18 Struttura a livelli del s.o. Il s.o. ha una struttura a cipolla, ogni livello: astrae astrae il livello inferiore, nascondendone la complessità e fornisce servizi al livello superiore In questo modo si può usare il computer senza conoscere i dettagli dei dispositivi elettronici hardware kernel: gestione del processore, della memoria, dei dispositivi di I/O interfaccia utente 18

19 Vediamo piu' da vicino i livelli A ciascun livello corrisponde una diversa funzione

20 Il kernel Il kernel (o nucleo) e' la parte di SO piu' vicina all' hardware e rappresenta il primo livello di astrazione. In particolare il kernel gestisce il processore, e fornisce le risorse usate dal resto del sistema operativo.

21 S.O. e dispositivi di I/O Ogni dispositivo di I/O collegato al computer è gestito da un modulo del s.o. chiamato driver Ogni volta che si aggiunge un nuovo dispositivo, si deve installare il driver corrispondente all interno del s.o. Nota: Plug&Play kernel driver printer driver video driver modem 21

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23 Funzioni svolte dal sistema operativo (1) Accensione e configurazione della macchina (bootstrap) Gestione del processore Gestione della memoria (principale e virtuale) Linguaggio ad alto livello per l interazione con l utente Gestione e accesso alle informazioni su memoria secondaria (File system) system 23

24 Funzioni svolte dal sistema operativo (2) Gestione e uso ottimale delle risorse di input/output (dischi, stampanti, ) Supporto per la comunicazione tra elaboratori Supporto per i programmi applicativi (installazione, accesso alle risorse di sistema) Ambienti di programmazione (ad es. Java, C++, Basic, COBOL) 24

26 Il bootstrap Bootstrap = Avvio dell elaboratore Primo problema: problema La CPU esegue esclusivamente programmi in memoria principale RAM volatile vuota quando si accende il computer Come fare? Prima soluzione: soluzione Mettere i programmi in memoria secondaria 26

27 Il bootstrap Secondo problema: problema Per caricare i programmi da memoria secondaria usiamo il file system (cioè il sistema operativo) Ma il s.o. risiede in RAM RAM volatile vuota quando si accende il computer Come fare? Seconda soluzione: soluzione Usiamo un piccolo programma (BIOS), molto semplice, che ha il compito di caricare (la prima parte de) il s.o. da memoria secondaria 27

28 Il bootstrap Terzo problema: problema La CPU esegue esclusivamente programmi in memoria principale RAM volatile vuota quando si accende il computer Come fare? Terza soluzione: soluzione Memorizziamo il BIOS in una parte della memoria principale non volatile: la ROM 28

29 Il bootstrap Dubbio: Dubbio Non possiamo memorizzare direttamente il s.o. in ROM? Risposta: Risposta No, perché la ROM è a sola lettura: ha senso memorizzarvi esclusivamente programmi/dati che non è necessario cambiare Applicativi e s.o. devono potere essere variati e aggiornati (upgrade, patch, ) 29

30 Il bootstrap Riassumendo: Bootstrap: Bootstrap all accensione della macchina, un programma (il BIOS) in ROM cerca sulla memoria secondaria il s.o. e ne carica una parte in RAM 30

31 Il bootstrap Ordine tipico di ricerca: 1. Floppy disk 2. CD/DVD 3. Hard Disk Questo ordine è utile per installare un s.o. o per live cd (un live cd contiene un s.o. che non necessita di installazione su hard disk) 31

32 Avvio dell elaboratore In seguito, viene caricata la prima parte del s.o. 32

33 Avvio dell elaboratore La prima parte del s.o. che viene caricata comprende (in generale): i programmi per gestire processi e CPU i programmi per gestire la memoria i programmi per gestire periferiche e I/O i programmi per gestire il File System il programma che crea l'interfaccia (grafica o testuale) utente 33

34 Avvio dell elaboratore Parte dei programmi del s.o. devono essere mantenuti sempre in RAM per essere sempre pronti per l esecuzione una porzione della RAM è riservata a programmi e dati del s.o. 34

35 Avvio dell elaboratore: l I/O All avvio, vengono identificati tutti i dispositivi di memoria secondaria e tutte le periferiche e vengono avviati i relativi programmi di gestione (driver) Alcuni sistemi verificano anche lo stato delle risorse hardware, per esempio lo stato dei dischi (inconsistenze?) 35

37 Il processo Il ruolo della CPU (processore) e' quello di eseguire programmi. Piu' precisamente, data la definizione di processo, un processo e' un programma in esecuzione, possiamo dire che uno dei compiti principali del Sistema Operativo e' di gestire i processi (ovvero il processore)

38 Ancora un po' di storia...

39 Sistemi batch monotasking: I programmi (detti job) venivano inseriti ed eseguiti in modo sequenziale

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41 Multitasking I moderni s.o. sono multitasking, multitasking cioè è possibile eseguire più programmi allo stesso tempo (ad es. scaricare un file mentre si scrive un documento) Problema: spesso gli elaboratori hanno una unica CPU. Come eseguire più programmi contemporaneamente? Soluzione: il s.o. alterna i programmi assegnando la CPU a turno 1. In ogni istante un solo programma è eseguito dalla CPU 2. Se l alternanza è frequente, si ha l impressione che i programmi vengano eseguiti contemporaneamente 41

42 Processi I dispositivi di I/O sono molto più lenti della CPU Problema: cosa succede se un processo effettua un istruzione di I/O? La CPU rimarrebbe inattiva fino a che il dispositivo non ha terminato inefficienza! Soluzione: multitasking Il S.O. assegna la CPU a un altro processo e la restituisce al primo quando l I/O è terminato 42

43 Processi Più in dettaglio, un processo può trovarsi in uno dei tre stati: in esecuzione, esecuzione cioè è in esecuzione nella CPU ( max un processo in esecuzione per ogni CPU) in attesa, attesa cioè attende che un operazione di I/O termini (o qualche altro evento esterno si verifichi) pronto, pronto cioè può andare in esecuzione, ma la CPU è occupata ad eseguire un altro processo 43

44 Processi Il S.O. ha il compito di scegliere quale tra i processi pronti mandare in esecuzione in modo da usare in modo efficiente (no sprechi) ed efficace (per es. con tempi di attesa limitati) l elaboratore 44

45 Schematicamente... scambio esecuzione in esecuzione richiesta I/O o risorsa pronto creazione I/O terminato o risorsa disponibile fine in attesa

46 Ad esempio

47 Dal punto di vista dei processi... e del processore Il processore lavora sempre!

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50 Memoria virtuale (perche?) Problemi di spazio Come eseguire programmi e usare dati più grandi della memoria principale (memoria fisica)? fisica 50

51 Memoria virtuale (perche?) Problemi di frammentazione A volte un programma non riesce a essere caricato sebbene ci sia abbastanza memoria a disposizione. 51

52 Memoria virtuale (cos e?) Tecnica di gestione della memoria utilizzata da tutti i sistemi operativi moderni Permette di fare credere ai singoli programmi di avere a disposizione una quantità di memoria a) più grande di quelle effettivamente installata e b) contigua Per questo si chiama memoria virtuale 52

53 Memoria virtuale (come funziona?) Problemi di frammentazione (e spazio) I programmi vengono suddivisi in pagine di memoria Le pagine possono venire caricate in punti diversi della memoria 53

54 Memoria virtuale (come funziona?) Problemi di frammentazione (e spazio) Il s.o. traduce automaticamente gli indirizzi fisici in indirizzi logici. Gli indirizzi logici permettono ai programmi di riferirsi alla memoria come se fosse un unico blocco contiguo. 54

55 Memoria virtuale (come funziona?) Problemi di spazio Non è necessario mantenere sempre in memoria tutte le pagine Le pagine usate meno spesso vengono spostate su hard disk 55

56 Memoria virtuale Problemi di spazio Le pagine vengono riportate in memoria quando servono nuovamente, eventualmente spostandone altre su disco 56

57 Memoria virtuale Problema: Cosa succede se si utilizza frequentemente una quantità di memoria virtuale molto più grande della memoria fisica? Thrashing (con la h, to thrash = dimenarsi): il computer impiega più tempo a trasferire le pagine da e su disco che a effettuare lavoro utile Soluzione: Aumentare la RAM oppure usare meno programmi contemporaneamente 57

59 Il sistema operativo Due tipi di interazione utente/sistema operativo: interazione testuale Windows: tramite il prompt dei comandi MS-DOS Mac OS X e Linux: applicazioni terminale interazione grafica Mac OS X Linux diversi ambienti (Gnome, Kde, Cde, ) Windows 2000/XP/Vista 59

60 Interazione testuale Basata su comandi scritti tramite tastiera L interfaccia è più rapida da usare per utenti esperti Richiede poca memoria principale Script (programmi costituiti da comandi) Molto usata nei sistemi Unix-like (es. Linux, o Mac Os X, OpenBSD, ) 60

61 Interazione grafica Basata su interfacce grafiche che presentano funzionalità comuni ai programmi sono associate finestre interazione point and click tecnologia WYSIWYG (What You See Is What You Get) comandi uniformi: es. Cancellare oggetto taglia, Copiare oggetto copia l oggetto può essere testo, file, immagini, 61

62 Interazione grafica Concetti principali finestra icona menu menu item pop-up menu (menu a tendina) button (pulsante) toolbar (barra degli strumenti) necessitano del mouse 62

64 Il File System File System: System parte del S.O. che si occupa di gestire e strutturare le informazioni memorizzate su supporti di memoria secondaria (ad es. su hard disk, CD, DVD ) Operazioni di base supportate dal File System sui dati memorizzati: lettura/scrittura, cancellazione, modifica, copia 64

65 Il File System I dati della memoria secondaria vengono strutturati e gestiti mediante l organizzazione in file I file sono utilizzati per la memorizzazione di programmi (del sistema, dell utente) dati 65

66 Il File System Si può immaginare il disco fisso come un quaderno con tante pagine su cui l utente scrive varie relazioni (file) Si noti che: quando si cancella un file, rimangono pagine vuote quando si modifica un file, la nuova versione potrebbe essere più corta o più lunga: se più corta: rimangono pagine vuote se più lunga: la modifica potrebbe essere impossibile (perché c è un file contiguo) Come risolvere questi problemi? 66

67 Il File System Soluzione: utilizzo di un indice: indice le pagine vengono numerate (come per i libri) l indice contiene - nell ordine - i numeri delle pagine dei file Vantaggi: le pagine possono essere aggiunte, spostate, cancellate senza sprechi di spazio, senza limitazioni di dimensioni dei file (basta avere pagine libere) 67

68 Il File System L indice è memorizzato sul dispositivo di mem. secondaria Contiene i nomi dei file e le pagine associate L utente può conoscere i nomi dei file memorizzati leggendo l indice Il file system usa l indice per: reperire le pagine dei file e trovare lo spazio libero per nuovi file 68

69 Il File System Esempio: indice disco fisso Nota: anche l indice è su disco fisso 69

70 Il File System indice Esempio: 1. crea disco fisso 70

71 Il File System indice Esempio: : pagine 0, 1, 2 1. crea disco fisso 71

72 Il File System Esempio: : pagine 0, 1, 2 2. crea file 2 72

73 Il File System Esempio: : pagine 0, 1, 2 file 2: pagina 3 file 2 2. crea file 2 73

74 Il File System Esempio: : pagine 0, 1, 2 file 2: pagina 3 file 2 3. modifica file 1 (più lungo) 74

75 Il File System Esempio: : pagine 0, 1, 2, 4 file 2: pagina 3 file 2 3. modifica file 1 (più lungo) 75

76 Il File System Esempio: : pagine 0, 1, 2, 4 file 2: pagina 3 file 2 4. modifica file 2 (più lungo) 76

77 Il File System Esempio: : pagine 0, 1, 2, 4 file 2: pagine 3, 5 file 2 file 2 4. modifica file 2 (più lungo) 77

78 Il File System Esempio: : pagine 0, 1, 2, 4 file 2: pagine 3, 5 file 2 file 2 5. crea file 3 78

79 Il File System Esempio: : pagine 0, 1, 2, 4 file 2: pagine 3, 5 file 3: pagine 6, 7 file 2 file 2 file 3 file 3 5. crea file 3 79

80 Il File System Esempio: : pagine 0, 1, 2, 4 file 2: pagine 3, 5 file 3: pagine 6, 7 file 2 file 2 file 3 file 3 6. crea file 4 80

81 Il File System Esempio: : pagine 0, 1, 2, 4 file 2: pagine 3, 5 file 3: pagine 6, 7 file 4: pagine 8, 9 file 2 file 2 file 3 file 3 file 4 file 4 6. crea file 4 81

82 Il File System Esempio: : pagine 0, 1, 2, 4 file 2: pagine 3, 5 file 3: pagine 6, 7 file 4: pagine 8, 9 file 2 file 2 file 3 file 3 file 4 file 4 7. cancella file 3 82

83 Il File System Esempio: : pagine 0, 1, 2, 4 file 2: pagine 3, 5 file 3: pagine 6, 7 file 4: pagine 8, 9 file 2 file 2 file 4 file 4 7. cancella file 3 83

84 Il File System Esempio: Notare la frammentazione: le pagine di alcuni file non sono contigue file 2 file 2 file 4 file 4 : pagine 0, 1, 2, 4 file 2: pagine 3, 5 file 3: pagine 6, 7 file 4: pagine 8, 9 84

85 Il File System: esercizio Per deframmentare: Start / Programmi / Accessori / Utilità di sistema / Utilità di deframmentazione dischi 85

86 Il File System Il file system deve fornire una visione astratta dei file, consentendo all utente di: dare un nome ai file (filename) filename manipolare i file (operazioni): operazioni creare, cancellare, copiare, rinominare, modificare accedere alle informazioni indipendentemente dal supporto fisico (vedere file su hard disk e su CD allo stesso modo) modo strutturare i file (file con caratteristiche comuni possono essere raggruppati ) proteggere (da lettura, scrittura, cancellazione) i file di utenti diversi I moderni s.o. (es. Windows) forniscono queste 86 funzionalità

87 Il File System Tutti i sistemi forniscono i seguenti comandi per operare sui file: creazione cancellazione copia visualizzazione stampa lettura e modifica rinomina visualizzazione delle caratteristiche di un insieme di file (dimensione, data di creazione e di ultima modifica, vincoli di protezione, tipo,...) 87

88 Organizzazione gerarchica dei file Il numero di file memorizzati su disco può essere estremamente elevato Un unico contenitore di file è scomodo: per la ricerca di un file ( Chissà come si chiama? ) per la creazione di un nuovo file (non si possono avere due file con lo stesso nome) Il s.o. deve fornire all utente la possibilità di dare una struttura organizzata ai file Idea: raggruppare i file, consentendo all utente di seguire criteri di tipo logico 88

89 Organizzazione gerarchica dei file directory (o cartella): gruppo di file (e di altre directory) il s.o. mette a disposizione comandi per creare directory Nomi dei file locali alle directory ok avere file con lo stesso nome in directory diverse 89

90 Come chiamare file e directory I nomi di file in genere hanno due parti: nome: scelto dall utente, il sistema impone regole sulla lunghezza massima e sui caratteri usabili (ad es. non permessi i caratteri *,?, /, \, <, >, ) estensione: separata dal nome con., identifica il formato e/o l applicazione che lo ha creato image1.jpg : un file immagine in formato JPEG tesi.doc : un documento Word tabella.xls : un foglio Excel 90

91 Come chiamare file e directory Quando si rinomina un file, bisogna prestare attenzione all estensione, per non perdere l associazione all applicativo Se, ad es., dimentico l estensione.xls, Windows potrebbe non sapere più che il documento è un foglio elettronico e quale applicativo usare per aprire il file 91

92 Organizzazione gerarchica dei file 92

93 Organizzazione gerarchica dei file Struttura ad albero (rovesciato, come l albero genealogico) Corsi Inglese Francese Appunti.txt Dispense.pdf Tedesco Spagnolo Disco rimovibile (E:) Applicazioni Elab_imm coreldrw.exe Elab_suoni photopnt.exe Elab_testi Winword.exe radice Francese Libri Appunti.txt Inglese Italiano libro1 libro2 libro1 libro2 libro3 libro1 libro2 libro3 93

94 Organizzazione gerarchica dei file Naming dei file: senza le directory, sarebbe sufficiente il nome per identificare un file con un organizzazione gerarchica a più livelli, non solo non è sufficiente il nome, ma neanche la directory in cui il file è contenuto. Infatti possono esistere file e directory diversi con lo stesso nome (se contenuti in directory diverse) Individuazione file o directory in modo univoco: sequenza di directory che lo contengono, dalla radice (pathname assoluto) assoluto 94

95 Organizzazione gerarchica dei file Esempi : il file libro1 in lingua italiana è identificato da E:\Libri\Italiano\libro1 la directory Inglese di Corsi è identificata da E:\Corsi\Inglese \ (backslash) è il separatore (in Unix, Linux e Mac OS X si usa / (slash)) Un file è identificato dal pathname 95

96 Organizzazione gerarchica dei file In alternativa, si può usare il concetto di posizione corrente: corrente Per identificare un file o una directory (in modo univoco), si specifica la sequenza di directory che lo (la) contengono, a partire dalla posizione corrente 96

97 Organizzazione gerarchica dei file Corsi Inglese Appunti.txt Francese Dispense.pdf Tedesco Spagnolo Disco rimovibile (E:) Applicazioni posizione corrente Elab_imm coreldrw.exe Elab_suoni photopnt.exe Elab_testi Winword.exe Francese Libri Appunti.txt Inglese Italiano libro1 libro2 libro1 libro2 libro3 libro1 libro2 libro3 97

98 Organizzazione gerarchica dei file Esempi : Posizione corrente: Libri; il file libro1 in lingua italiana è identificato da Italiano\libro1 98

99 Organizzazione gerarchica dei file Corsi Inglese Appunti.txt Francese Dispense.pdf Tedesco posizione corrente Disco rimovibile (E:) Applicazioni Spagnolo Elab_imm coreldrw.exe Elab_suoni photopnt.exe Elab_testi Winword.exe Francese Libri Appunti.txt Inglese Italiano libro1 libro2 libro1 libro2 libro3 libro1 libro2 libro3 99

100 Organizzazione gerarchica dei file Esempi : Posizione corrente: Inglese; il file Dispense.pdf è identificato da Dispense.pdf Un file è identificato dal pathname relativo 100

101 Organizzazione gerarchica dei file Per organizzare gerarchicamente i file in directory e sottodirectory, il s.o. fornisce alcune operazioni. Per es.: creare una nuova directory cancellare una directory rinominare una directory elencare il contenuto (l insieme dei file e sottodirectory) di una directory spostare la directory stessa o parte del suo contenuto copiare il contenuto 101

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