Il software. la parte contro cui si può solo imprecare

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1 Il software la parte contro cui si può solo imprecare Il software L hardware da solo non è sufficiente per il funzionamento dell elaboratore ma è necessario introdurre il software ovvero un insieme di programmi che permettono di trasformare un insieme di circuiti elettronici in un oggetto in grado di svolgere delle funzioni di natura diversa 1

2 Il software Una programmazione diretta della macchina hardware da parte degli utenti è davvero difficile l utente dovrebbe conoscere l organizzazione fisica dell'elaboratore e il suo linguaggio macchina ogni programma dovrebbe essere scritto utilizzando delle sequenze di bit ed ogni piccola differenza hardware comporterebbe una riscrittura del programma stesso Il software ? Questo non è accettabile ed è necessario fornire un meccanismo per astrarre dall organizzazione fisica della macchina 2

3 Il software Inoltre, l utente deve usare nello stesso modo, o comunque in modo molto simile, macchine diverse dal punto di vista hardware avere un semplice linguaggio di interazione con la macchina avere un insieme di programmi applicativi per svolgere compiti diversi La macchina virtuale Nei moderni sistemi di elaborazione questi obiettivi vengono raggiunti grazie alla definizione di macchine virtuali che vengono realizzate al di sopra della macchina hardware reale utente macchina virtuale (software) hardware 3

4 La macchina virtuale Questa macchina si dice virtuale in quanto essa non esiste fisicamente ma viene realizzata mediante il software (software di base) L'utente interagisce con la macchina virtuale grazie ad un opportuno linguaggio di comandi La macchina virtuale si preoccupa della traduzione di ogni comando impartito dall utente nella sequenza di comandi che realizzanno la stessa funzione e sono riconosciuti dalla macchina fisica sottostante utente macchina virtuale hardware Linguaggio di comandi Lavorando con una interfaccia a carattere i comandi vengono impartiti mediante la tastiera prompt Ogni comando ha un suo nome e una sintassi ben precisa 4

5 Linguaggio di comandi In laboratorio vedremo i comandi che si usano con una shell implementata per Linux prompt Linguaggio di comandi: funzionamento della shell Dai il messaggio di prompt all utente Quando arriva il comando, riconoscilo Se è corretto, esegui l azione corrispondente Se è errato, dai un messaggio di errore Al termine dell operazione, torna all inizio 5

6 Linguaggio di comandi Nei calcolatori con interfaccia grafica molti comandi sono impartiti mediante l interazione attraverso il mouse. Il clic (il doppio clic, ) del mouse su un icona viene tradotto in una opportuna sequenza di istruzioni che il calcolatore esegue per soddisfare la richiesta dell utente Software di base Gli strumenti software che permettono all utente (e ai programmi applicativi) di gestire le risorse fisiche e di interagire con l elaboratore in modo semplice sono parte della macchina virtuale Si parla di software di base, per denotare un insieme di programmi che, a livello macroscopico, offrono due classi di funzioni funzioni proprie del sistema operativo funzioni di traduzione tra linguaggi diversi 6

7 Il sistema operativo È il componente software fondamentale di un sistema di calcolo È formato da un insieme di programmi che interagiscono tra loro per realizzare due obiettivi 1. Gestire efficientemente l elaboratore e i suoi dispositivi 2. Creare un ambiente virtuale per l interazione con l utente Funzioni principali del sistema operativo Avvio dell elaboratore Gestione del processore e dei programmi in esecuzione (detti processi) Gestione della memoria principale Gestione della memoria virtuale Gestione della memoria secondaria Gestione dei dispositivi di input / output Interazione con l utente 7

8 Il sistema operativo hardware avvio gestione dei processi, della memoria principale, della memoria secondaria, dei dispositivi di I/O, interfaccia utente Il sistema operativo Dal punto di vista strutturale il sistema operativo è formato da un insieme di livelli, che formano la cosiddetta struttura a cipolla Idealmente l utente è ignaro di tutti i dettagli delle operazioni svolte dai livelli inferiori della gerarchia e conosce solo le operazioni del livello più alto 8

9 Il sistema operativo mono utente multi utente mono programmato multi programmato Il sistema operativo Mono-utente o multi-utente (mono/multiuser) si distingue tra elaboratori di tipo personale e elaboratori utilizzabili da più utenti contemporaneamente Mono o multi-programmati (mono/multitasking) si distingue tra elaboratori in grado di eseguire un solo programma alla volta oppure più programmi contemporaneamente 9

10 Funzioni principali del sistema operativo Avvio dell elaboratore Gestione del processore e dei processi Gestione della memoria principale Gestione della memoria virtuale Gestione della memoria secondaria Gestione dei dispositivi di input / output Interazione con l utente Avvio dell elaboratore Il sistema operativo viene mandato in esecuzione al momento dell'accensione del calcolatore Questa fase prende il nome di bootstrap In questa fase una parte del sistema operativo viene caricata nella memoria principale 10

11 Avvio dell elaboratore In genere questa parte del sistema operativo comprende i programmi per la gestione del processore i programmi per la gestione della memoria i programmi per la gestione dell'input/output i programmi per la gestione delle risorse hardware i programmi per la gestione del file system un programma che crea l'interfaccia verso l utente Avvio dell elaboratore Una parte del sistema operativo deve essere sempre mantenuta in memoria principale e deve essere sempre pronta per l esecuzione S.O. spazio utente N 11

12 Avvio dell elaboratore Spesso durante questa fase sono eseguiti anche dei programmi che verificano l'eventuale presenza di virus sul disco dell'elaboratore I virus sono dei programmi che possono essere trasmessi da un elaboratore ad un altro quando si copiano dei programmi oppure quando si salvano degli allegati dalla casella di posta elettronica Un virus può danneggiare il funzionamento dell'elaboratore, anche in modo piuttosto grave Funzioni principali del sistema operativo Avvio dell elaboratore Gestione del processore e dei processi Gestione della memoria principale Gestione della memoria virtuale Gestione della memoria secondaria Gestione dei dispositivi di input / output Interazione con l utente 12

13 Esecuzione dei programmi Quando si scrive un comando (oppure si clicca sull icona di un programma), il sistema operativo cerca il programma corrispondente sulla memoria secondaria copia il programma in memoria principale imposta il registro Program Counter con l indirizzo in memoria principale della prima istruzione del programma Sistemi mono-utente, mono-programmati Un solo utente può eseguire un solo programma alla volta Il programma viene lanciato, eseguito e quindi terminato Ma la CPU viene sfruttata al meglio? 13

14 Sistemi mono-utente, mono-programmati. no, si spreca molto tempo! La CPU è molto più veloce dei supporti di memoria secondaria e delle altre periferiche, e passa la maggior parte del suo tempo in attesa del completamento delle operazioni demandate a questi dispositivi Durante l attesa si dice che la CPU è in uno stato inattivo, detto idle Esempio (1) Un processo è costituito da 1000 istruzioni e ogni istruzione richiede 1 microsec. per essere eseguita dalla CPU 3-6 tempo totale di esecuzione = 10 * 10 = 1 millisec. A metà esecuzione è richiesta la lettura di un dato dal disco. Il tempo di lettura è pari ad 1 millisec. tempo totale di esecuzione = 2 millisec. Idle time = 1millisec. corrisponde a 50% del tempo totale di esecuzione ed è tempo sprecato 14

15 Esempio (2) Un processo è costituito da 1000 istruzioni e ogni istruzione richiede 1 microsec. per essere eseguita dalla CPU tempo totale di esecuzione = 1 millisec. A metà esecuzione è richiesto un dato all utente. Il tempo di reazione è pari ad 1 sec. durata totale dell esecuzione = 1001 millisec. Idle time = 1 sec. corrisponde al 99,9% del tempo totale di esecuzione ed è tempo sprecato!!!! Soluzione: sistemi multiprogrammati Quando la CPU è nello stato di idle la si può sfruttare per eseguire (parte di) un altro processo Quando un processo si ferma (per esempio in attesa di un dato dall utente) la CPU può passare ad eseguire le istruzioni di un altro processo Il sistema operativo si occupa dell alternanza tra i processi in esecuzione 15

16 Soluzione: sistemi multiprogrammati Un processo può trovarsi in tre diversi stati: in esecuzione, in attesa, pronto esecuzione pronto attesa Soluzione: sistemi multiprogrammati terminazione esecuzione in esecuzione richiesta I/O o risorsa creazione pronto I/O terminato o risorsa disponibile attesa 16

17 Soluzione: sistemi multiprogrammati Più programmi sembrano essere eseguiti contemporaneamente In realtà in esecuzione c è sempre un solo processo ma, se l alternanza è molto frequente, si ha un idea di simultaneità Di solito è posto un limite al numero di processi contemporaneamente in esecuzione Cosa succede se Un processo non si ferma mai in attesa di I/O o di una risorsa? Più utenti vogliono usare il computer? è necessario far sì che la risorsa più importante del computer - la CPU - sia distribuita tra i processi dello stesso utente e di utenti diversi Si parla anche di scheduling del processore 17

18 Esempio di scheduling: Round Robin Ad ogni processo viene assegnato un quanto di tempo di CPU (time slice) Terminato il quanto di tempo, il processo viene sospeso e rimesso nella coda dei processi pronti (al fondo) La CPU viene assegnata ad un altro processo pronto Un processo può usare meno del quanto che gli spetta se deve eseguire operazioni di I/O oppure ha terminato la sua computazione Esempio di scheduling: Round Robin terminazione esecuzione in esecuzione quanto di tempo scaduto richiesta I/O o risorsa creazione pronto I/O terminato o risorsa disponibile attesa 18

19 Effetti dell alternanza tra processi L esecuzione di più processi sembra avvenire realmente in parallelo Più utenti possono usare allo stesso tempo il computer, perché la CPU viene assegnata periodicamente (per esempio ogni 10 o 100 millisec.) ai processi dei vari utenti All aumentare del numero di processi e del numero di utenti le prestazioni del sistema possono degradare Esercizio Supponiamo di avere nella coda dei processi pronti tre processi P1, P2, e P3 con i seguenti comportamenti in termini di computazione e tempi di attesa P1 P2 P calcolo attesa 1. Quante unità di tempo ci vogliono per portare a termine tutti e tre i processi in un sistema mono-programmato? 2. E in un sistema multi-programmato, se si applica l alternanza tra i processi? 19

20 Esercizio: soluzione 1. Quante unità di tempo ci vogliono per portare a termine tutti e tre i processi in un sistema mono-programmato? P P P La soluzione qui è semplice, basta sommare i tempi totali dei tre processi tot(p1)=120 tot(p2)=120 tot(p3)=70 tot(p1+p2+p3)= =310 Esercizio: soluzione 2. E in un sistema multi-programmato, se si applica l alternanza tra i processi? P P P In questo caso, quando un processo va in attesa di un evento di I/O o di una risorsa, il processore viene assegnato al primo processo pronto P1 P2 P3 P2 P2 P2 P3 P1 P2 P2 P2 P3 P1 P1 P1 in attesa P1 in attesa P1 in attesa P2 in attesa P2 in attesa P2 in attesa P3 in attesa P3 in attesa P3 in attesa 20

21 Esercizio Supponiamo di avere nella coda dei processi pronti i processi P1 durata = 40 unità di tempo P2 durata = 10 unità di tempo P3 durata = 60 unità di tempo P4 durata = 30 unità di tempo Qual è la sequenza di esecuzione con una politica di scheduling Round Robin e quanto di tempo pari a 20 unità? Esercizio: soluzione P1 durata = 40 unità di tempo P2 durata = 10 unità di tempo P3 durata = 60 unità di tempo P4 durata = 30 unità di tempo Bisogna mandare in esecuzione i processi pronti e interromperli (se non terminano prima) ogni volta che scade il quanto di tempo (NB: non consideriamo eventuali tempi di attesa) P1 P2 P3 P4 P1 P3 P4 P

22 Altre politiche di scheduling FIFO (First Come First Served) SJF (Shortest Job First) Priorità SRTF (Shortest Remaining Time First) Versione preemptive della politica SJF Guardate sul libro di testo per maggiori dettagli su queste politiche Gestione dei processi Per gestire un insieme di processi contemporaneamente attivi il S.O. mantiene, in una zona di memoria riservata, la tabella dei processi (PCBT, Process Control Block Table) Per ogni processo vi è un descrittore nel quale sono memorizzate molte informazioni, tra cui L identificatore del processo L identificatore dell utente proprietario Lo stato del processo Il contenuto del registro Program Counter e degli altri registri Informazioni sui file e sulle risorse in uso Informazioni sull utilizzo della memoria centrale e secondaria Informazioni per lo scheduling 22

23 Gestione dei processi Tutte queste informazioni servono per realizzare l operazione di cambio di contesto (context switch) Quando un processo rilascia la CPU, le informazioni sul suo stato vengono memorizzate nel suo descrittore all interno della tabella dei processi In questo modo, quando tornerà nuovamente in esecuzione, il processo potrà ripartire dal punto in cui era stato interrotto Gestione dei processi e della RAM Come abbiamo già detto più volte, i programmi per essere eseguiti devono essere caricati nella memoria principale È il sistema operativo che coordina le operazioni per la gestione dei processi e per la conseguente allocazione della memoria principale ma ne parleremo in seguito 23

24 Il software la parte contro cui si può solo imprecare (continua) Funzioni principali del sistema operativo Avvio dell elaboratore Gestione del processore e dei processi in esecuzione Gestione della memoria principale Gestione della memoria virtuale Gestione della memoria secondaria Gestione dei dispositivi di input / output Interazione con l utente 1

25 Gestione della memoria secondaria Abbiamo visto che i supporti di memoria secondaria servono per memorizzare programmi e dati in modo permanente Ora vediamo il file system, ovvero quella parte del sistema operativo che si occupa di gestire e strutturare le informazioni memorizzate su questi supporti Gestione della memoria secondaria Il file system: organizzazione logica dei file 2

26 Cos è un file? A collection of data or information that has a name, called the filename. Almost all information stored in a computer must be in a file. There are many different types of files: data files, text files, program files, directory files, and so on. Different types of files store different types of information. For example, program files store programs, whereas text files store text. Cos è un file? Un file è una collezione di informazioni e deve avere un nome logico (è buona norma scegliere nomi significativi) Un file ha anche una estensione Esempi.doc.txt.html.jpg.gif Le estensioni sono importanti perchè di solito indicano il tipo del file (e danno informazioni sul programma applicativo in grado di manipolarlo) 3

27 Tipi di file.ppt Tipi di file.ppt OK 4

28 Tipi di file.gif Tipi di file.gif OK 5

29 Tipi di file.html OK prossima lezione Tipi di file.html OK prossima lezione 6

30 Nomi dei file Ogni sistema operativo ha delle convenzioni per la scelta dei nomi da associare ai file Consigli 1. è meglio usare usare nomi significativi mio.doc, pippo.doc voti.xls, tesi.doc 2. è meglio non usare caratteri speciali e lo spazio bianco prima pagina.html, mia foto.jpg index.html, montagne.gif Il file system Mediante il file system il sistema operativo fornisce una visione astratta dei file su disco e permette all'utente di identificare ogni file mediante il suo nome operare sui file mediante opportune operazioni effettuare l'accesso alle informazioni grazie ad operazioni di alto livello, che non tengono conto del tipo di memorizzazione (si deve accedere allo stesso modo ad un file memorizzato sul disco rigido oppure su un CD-ROM) 7

31 Il file system l'utente deve avere la possibilità di strutturare i file, organizzandoli in sottoinsiemi secondo le loro caratteristiche, per avere una visione ordinata e strutturata delle informazioni sul disco in un sistema multi-utente, inoltre, l utente deve avere dei meccanismi per proteggere i propri file, ossia per impedire ad altri di leggerli, scriverli o cancellarli Il file system Un insieme di operazioni minimale, presente in tutti i sistemi, è il seguente creazione di un file cancellazione di un file copia o spostamento di un file visualizzazione del contenuto di un file stampa di un file modifica del contenuto di un file rinomina di un file visualizzazione delle caratteristiche di un file 8

32 Organizzazione gerarchica dei file Il numero di file che devono essere memorizzati su un disco può essere molto elevato Si ha quindi la necessità di mantenere i file in una forma ordinata Un unico spazio ( contenitore ) di file è scomodo La scelta dei nomi diventa difficile poichè non è possibile avere due file con lo stesso nome nello stesso contenitore Le operazioni di ricerca dei file diventano onerose Organizzazione gerarchica dei file L'idea è quella di raggruppare i file in sottoinsiemi Questi sottoinsiemi di file vengono memorizzati all interno di contenitori dette cartelle (directory) I nomi dei file sono locali alle directory Si possono avere due file con lo stesso nome purché siano in due directory diverse 9

33 Organizzazione gerarchica dei file Per organizzare gerarchicamente i file, il sistema operativo deve fornire all'utente un insieme di operazioni per creare una nuova directory rimuovere una directory ridenominare una directory elencare il contenuto di una directory copiare o spostare i file da una directory ad un'altra Organizzazione gerarchica dei file Gli elaboratori sono dotati di più unità di memoria secondaria DOS e Windows usano dei nomi per distinguere le unità In Unix/Linux la gestione è trasparente all utente che conosce solo il nome del file, e non si interessa dell unità dove esso è memorizzato 10

34 Organizzazione gerarchica dei file Organizzazione gerarchica dei file Applicazioni Elab_imm Photoshop.exe Elab_suoni Premiere.exe Elab_testi Winword.exe A: Biblioteca Utenti Narrativa-Fra Narrativa-Ing Narrativa-Ita Bianchi Pautasso libro1 libro2 libro1 libro2 libro3 libro1 libro2 libro3 radice dell albero foglie Indice Rossi Questa struttura viene chiamata albero 11

35 Organizzazione gerarchica dei file Senza una strutturazione in directory, tutti i file possono essere identificati mediante il loro nome Nel caso di un organizzazione gerarchica a più livelli il nome non è più sufficiente ad identificare un file Per individuare un file o una directory in modo univoco si deve allora specificare l'intera sequenza di directory che lo contengono, a partire dalla radice dell'albero (pathname) Organizzazione gerarchica dei file Ad esempio il file libro1 di narrativa italiana è univocamente identificato dal pathname A:/Biblioteca/Narrativa-Ita/libro1 La directory Pautasso di Utenti è identificata dal pathname A:/Utenti/Pautasso Il carattere / viene usato come separatore in sistemi Unix-like, in Windows si usa il carattere \ 12

36 Organizzazione gerarchica dei file Un altro modo di individuare un file (o una directory) è basato sul concetto di posizione relativa (pathname relativo) In questo caso per individuare un file o una directory in modo univoco si deve specificare l'intera sequenza di directory che lo contengono, a partire dalla posizione corrente Organizzazione gerarchica dei file Applicazioni Elab_imm Elab_suoni Elab_testi Photoshop.exe Premiere.exe Winword.exe A: Biblioteca Utenti Indice Narrativa-Fra Narrativa-Ing Narrativa-Ita Bianchi Pautasso Rossi libro1 libro2 libro1 libro2 libro3 libro1 libro2 libro3 posizione corrente 13

37 Organizzazione gerarchica dei file Se la posizione corrente è A:/Biblioteca, il file libro1 di narrativa italiana è univocamente identificato dalla sequenza Narrativa-Ita/libro1 Se la posizione corrente è A:/Utenti, la directory Pautasso è identificata dalla sequenza Pautasso Per raggiungere un determinato file a partire dalla posizione corrente si utilizza quindi il pathname relativo Come si cambia directory? In Windows è facile, basta cliccare sulle icone gialle chiamate Folder per aprire una nuova directory ed esplorarne il contenuto Usando un interfaccia a carattere (come la shell di Linux) si devono conoscere quei comandi che permettono di manipolare directory (e file) 14

38 In laboratorio In laboratorio usiamo i comandi per gestire file e directory tramite la shell, ovvero un processo in attesa di comandi Ricordiamo che ad ogni comando corretto corrisponde l esecuzione del programma corrispondente se il comando è errato viene visualizzato un messaggio di errore In laboratorio Usiamo anche dei programmi chiamati texteditor che permettono di creare dei file di tipo testo Un file di testo è un file che viene memorizzato in formato ASCII I file HTML (ovvero i file per il web) sono dei file di testo 15

39 Gestione della memoria secondaria Il file system: organizzazione fisica dei file Memorizzazione fisica dei file programma applicativo presentazione.ppt blocco sistema operativo file system 16

40 Memorizzazione fisica dei file Nel caso della memorizzazione fisica si devono considerare vari aspetti Quali file sono memorizzati su disco? Dove sono? Come si può ottimizzare lo spazio su disco, evitando degli sprechi? Memorizzazione fisica dei file Il disco è suddiviso in due parti Device directory contiene informazioni sui file e sulle directory può essere vista come una tabella con un elemento per ogni file (file descriptor) Spazio disco contiene i file 17

41 Device directory Per ogni file sono mantenute informazioni diverse, tra cui il nome del file la data di creazione e di ultima modifica la dimensione del file il nome del proprietario la descrizione delle protezioni il tipo di file Device directory Per ogni directory sono mantenute informazioni diverse, tra cui il nome della directory la data di creazione e di ultima modifica il nome del proprietario la descrizione delle protezioni l elenco dei file e delle sotto-directory 18

42 Come sono memorizzati i file? Allocazione contigua ogni file è visto come una entità indivisibile memorizzata in blocchi contigui noto l indirizzo del primo blocco e il numero di blocchi si accede alle informazioni Allocazione sparsa i blocchi sono sono memorizzati separatamente Allocazione sparsa Possiamo vedere il disco fisso come un quaderno con tante pagine su cui un utente scrive delle relazioni (file) L utente ha la necessità di scrivere, cancellare, modificare i file 19

43 Allocazione sparsa Problemi Quando un file viene cancellato rimangono delle pagine vuote La modifica di un file può dare origine ad una nuova versione più corta o più lunga di quella precedente Potrebbero esserci dei file che richiedono delle pagine già occupate da altri file Allocazione sparsa In analogia con un quaderno ad anelli, le pagine possono essere spostate, aggiunte, cancellate senza creare sprechi di spazio e senza limitazioni sulla crescita delle dimensioni di un file (l unico limite è quello di avere pagine bianche) In analogia con l utilizzo di un indice, le pagine del quaderno vengono numerate e l indice conterrà (nell ordine) i numeri delle pagine del file 20

44 Allocazione sparsa relazione1: pag. 1, pag. 4, pag. 6 relazione2: pag. 2, pag. 3, pag. 7 relazione3: pag. 5, pag. 8 Dal punto di vista strutturale il sistema operativo è formato da un insieme di livelli, che formano la cosiddetta struttura a cipolla; ciascun livello fornisce un insieme di funzioni e di servizi a partire dalle funzioni e dai servizi forniti dal livello sottostante (si veda la figura 5.1). I livelli più bassi e, in particolare il più basso, detto kernel, sono quelli più vicini all'hardware e dipendono quindi dalla specifica macchina; i livelli più alti, invece, sono più vicini agli utenti e ai programmi applicativi e sono abbastanza indipendenti dalle Dal punto di vista strutturale il sistema operativo è formato da un insieme di livelli, che formano la cosiddetta struttura a cipolla; ciascun livello fornisce un insieme di funzioni e di servizi a partire dalle funzioni e dai servizi forniti dal livello sottostante (si veda la figura 5.1). caratteristiche hardware dell'elaboratore. Ai diversi livelli corrispondono funzionalità diverse; ad esempio, i livelli bassi si occupano della gestione efficiente delle risorse di calcolo mentre quelli alti forniscono :29 B C:\Matteo\LIBRO- CONS-RIBA\cap1.doc <-- graal /usr/nfs/graal1/matte o/libro-cons-riba cap1.doc :29 B C:\Matteo\LIBRO -CONS- RIBA\cap2.doc <-- graal /usr/nfs/graal1/matte o/libro-cons-riba cap2.doc :29 B C:\Matteo\LIBRO- CONS-RIBA\cap3.doc <-- graal /usr/nfs/graal1 /matteo/libro- CONS-RIBA cap3.doc :29 B C:\Matteo\LIBRO- CONS-RIBA\cap4.doc <-- graal /usr/nfs/graal1/matte o/libro-cons-riba cap4.doc Dal punto di vista strutturale il sistema operativo è formato da un insieme di livelli, che formano la cosiddetta struttura a cipolla; ciascun livello fornisce un insieme di funzioni e di servizi a partire dalle funzioni e dai servizi forniti dal livello sottostante (si veda la figura 5.1) pagine bianche Allocazione indexata Device directory Spazio disco tesi 2MB 21

45 Allocazione linkata Device directory Spazio disco tesi 2MB Di solito si usa una tecnica mista indexata/linkata 22

46 Il software la parte contro cui si può solo imprecare (continua) Funzioni principali del sistema operativo Avvio dell elaboratore Gestione del processore e dei processi in esecuzione Gestione della memoria principale Gestione della memoria virtuale Gestione della memoria secondaria Gestione dei dispositivi di input / output Interazione con l utente 1

47 Gestione della memoria principale CPU RAM HD processo in esecuzione processi dati e programmi Gestione della memoria principale Più processi contemporaneamente in esecuzione 1) Come possono condividere l uso della memoria principale? 2) Come possiamo garantire che i processi non si danneggino tra loro? 3) Quanti processi possono essere caricati in memoria contemporaneamente? 4) Esiste una dimensione massima per i processi? 2

48 Sistema monoprogrammato 0 x S.O. Spazio utente M Sistema monoprogrammato 0 x S.O. Spazio utente M 3

49 Sistema monoprogrammato I processi si alternano nell uso della memoria che occupano fino a quando non terminano la loro computazione Come possiamo garantire che durante la loro esecuzione non danneggino il S.O.? 0 x S.O. registro fence x Spazio utente M Riprendiamo la struttura della CPU registro fence 4

50 Sistema monoprogrammato Il Program Counter (PC) contiene sempre l indirizzo della prossima istruzione da eseguire Per ogni accesso in memoria da parte di un processo utente si verifica if (val[pc] <= val[fence]) then <ERRORE e gestione S.O.> else <OK, esecuzione istruzione> Sistema multiprogrammato Più programmi utente possono essere eseguiti contemporaneamente Si devono quindi studiare delle tecniche per condividere la memoria principale Allocazione contigua Allocazione non contigua 5

51 Allocazione contigua La memoria viene suddivisa in parti che devono contenere le immagini dei processi Partizioni fisse: si decide quali e quante saranno le partizioni della memoria al momento della configurazione del S.O. Partizioni variabili: le partizioni vengono create dinamicamente quando i processi vengono caricati in memoria Allocazione contigua: partizioni fisse S.O. x y z 400 KB 1000 KB Spazio utente 2600 KB P3 200KB P2 800KB P1 400KB coda dei processi in attesa 6

52 Partizioni fisse: problemi Limite sulla dimensione massima dei processi Come si possono dimensionare le partizioni? Spreco di spazio all interno delle partizioni: frammentazione interna Allocazione contigua: partizioni variabili S.O. Spazio utente P3 200KB P2 800KB P1 400KB coda dei processi in attesa 7

53 Partizioni variabili: problemi Quando un processo termina rimane uno spazio libero. Il prossimo processo dove deve essere caricato? Si deve minimizzare la frammentazione esterna, ovvero la creazione di spazi troppo piccoli che non potranno contenere nessun processo Frammentazione esterna S.O. partizioni non utili perchè troppo piccole Spazio utente 8

54 Compattazione S.O. Spazio utente spazio libero contiguo Allocazione non contigua I processi vengono caricati in RAM a pezzi SO Blocchi liberi 9

55 Ritorniamo alla tabella dei processi Per ogni processo vi è un descrittore nel quale sono memorizzate molte informazioni, tra cui L identificatore del processo L identificatore dell utente proprietario Lo stato del processo Il contenuto del registro Program Counter e degli altri registri Informazioni sui file e sulle risorse in uso Dove sono caricate in RAM le sue pagine Memoria virtuale Visione astratta della memoria: fornisce agli utenti l impressione che la memoria a disposizione sia più grande di quella reale Due tecniche principali Swapping Demand paging 10

56 Swapping Al momento del cambio di contesto, il processo in esecuzione perde l uso del processore se necessario, perde l uso della memoria principale e la sua immagine viene ricopiate sulla memoria secondaria Swapping RAM HD S.O. 11

57 Demand paging Lo swapping impone un limite massimo alle dimensioni dei processi Con il demand paging si possono avere programmi (processi) che sono indipendenti dalle dimensioni della RAM Le immagini dei processi vengono caricate in RAM a pezzi (paging) e su richesta (demand) Demand paging RAM HD S.O. blocchi liberi 12

58 Demand paging Quando il processo in esecuzione fa riferimento ad una istruzione che si trova in una pagina che non è ancora stata caricata in memoria si ha un page fault Il processo in esecuzione viene messo nello stato di attesa Il sistema operativo si occupa del caricamento della pagina in memoria principale Viene mandato in esecuzione un altro processo Non appena la pagina è caricata in memoria principale il processo viene rimesso nello stato di pronto Demand paging La gestione da parte del sistema operativo si complica: tabella dei blocchi (frame) tiene traccia dei blocchi liberi e di quelli occupati memorizza informazioni sull uso dei blocchi (serve per decidere quali pagine rimpiazzare) Inoltre, per ogni processo, si deve avere anche una tabella delle sue pagine 13

59 Demand paging Tabella dei processi P1, info sul processo N. pag Tabella delle pagine di P1 In RAM? Blocco Indirizzo HD SI NO NO 3000 x00cc xaacc x3345 P2, info sul processo Pj, info sul processo Tabella delle pagine di P2 N. pag In RAM? Blocco Indirizzo HD NB: queste tabelle stanno nella parte di RAM riservata al Sistema Operativo Indirizzi virtuali Ogni istruzione è caratterizzata da un indirizzo virtuale che tiene traccia della pagina in cui si trova l istruzione della sua posizione nella pagina (offset) Quando la pagina viene caricata in RAM, gli indirizzi fisici vengono calcolati considerando l indirizzo del blocco in cui viene caricata la pagina e l offset dell istruzione nella pagina 14

60 Gestione della memoria? Architettura degli eleboratori e Sistemi Operativi 15