Capitolo 6 Le infrastrutture SoftWare

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1 Capitolo 6 Le infrastrutture SoftWare Cos'è un sistema operativo?(software di base) Definizione: Un sistema operativo è un programma che controlla l'esecuzione di programmi applicativi e agisce come interfaccia tra le applicazioni e l'hardware del calcolatore Obiettivi fficienza: Un S.O. cerca di utilizzare in modo efficiente le risorse del calcolatore Semplicità: Un sistema operativo dovrebbe semplificare l'utilizzazione dell'hardware di un calcolatore Introduzione ai sistemi informatici 1

2 Sistema operativo utente Interfaccia utente Sistema operativo Hardware SO: funzionalità SO come GSTOR DLL RISORS controlla tutte le risorse del calcolatore e le gestisce in modo efficiente: tiene traccia di chi utilizza la risorse accetta e soddisfa le richieste di utilizzo di una risorsa fa da mediatore fra le risorse che risultano in conflitto SO come MACCHINA STSA costituisce la base su cui è possibile scrivere i programmi applicativi. presenta all utente una macchina estesa più facile da programmare dell HW sottostante. Introduzione ai sistemi informatici 2

3 Funzioni di servizio del SO secuzione di applicazioni caricamento del programma (istruzioni e dati) nella memoria centrale, inizializzazione dei dispositivi di ingresso/uscita, preparazione e gestione di altre risorse come la rete di comunicazione, ; Accesso ai dispositivi di ingresso/uscita gestione dei segnali necessari per il trasferimento dei dati, consente all utente di ragionare in termini di operazioni astratte di lettura e scrittura Archiviazione di dati e programmi fornire un organizzazione logica dei dati sotto forma di cartelle (directory) e file, gestire le operazioni di basso livello per il relativo ingresso/uscita; Controllo di accesso condivisione di risorse da parte di più utenti o applicazioni, meccanismi di protezione e politiche di risoluzione degli eventuali conflitti d uso; Contabilizzazione ottimizzare il tempo di risposta dei programmi interattivi, fatturare agli utenti i costi dell impiego del sistema; Gestione dei malfunzionamenti rilevare e, se possibile, di risolvere eventuali malfunzionamenti provocati da guasti hardware, o da operazioni scorrette compiute dal software applicativo. Vantaggi di un SO Sono legati alla possibilità di definire modalità standard di interfaccia con i dispositivi fisici, cosicché sia possibile: sviluppare programmi in modo semplice, modulare ed indipendente dallo specifico calcolatore su cui viene fatto funzionare il sistema operativo; aggiornare il software di base e l'hardware in modo trasparente ai programmi applicativi e all'utente, ossia senza che vengano influenzati dall'operazione. Introduzione ai sistemi informatici 3

4 Visioni fornite da un SO Dall'alto: il sistema operativo fornisce all'utente un'interfaccia conveniente. Dal basso: gestisce tutti le parti di un sistema complesso, allocando in modo ordinato le diverse risorse della macchina: processori, memorie, dischi, interfacce di rete, stampanti e altre periferiche. lementi di un SO Sistema di gestione del processore, controlla l unità centrale di elaborazione (CU); definisce quali programmi sono da eseguire e quali compiti sono da assegnare alla CU; Sistema di gestione della memoria, controlla l allocazione della memoria di lavoro ai diversi programmi che possono essere contemporaneamente in esecuzione; Sistema di gestione delle periferiche, garantisce l accesso ai dispositivi di ingresso/uscita, maschera i dettagli di basso livello e gli eventuali conflitti che possono insorgere nel caso che diverse richieste arrivino contemporaneamente a uno stesso dispositivo; Sistema di gestione dei file (file system) consente l archiviazione e il reperimento dei dati sfruttando le periferiche che costituiscono la memoria di massa; Sistema di gestione degli utenti e dei relativi comandi (interprete comandi),interfaccia interfaccia diretta con gli utenti, permette agli utenti di accedere in maniera semplice e intuitiva alle funzionalità disponibili. Sistema di gestione della rete. Introduzione ai sistemi informatici 4

5 lementi di un SO Utente Interprete comandi Gestione memoria Sistema Operativo Gestione periferiche Software applicativo File system Nucleo (o kernel) [gestione processore] Hardware Interfaccia con la rete SO vs applicazioni rogrammi applicativi hanno accesso a un insieme ridotto di risorse; possono utilizzare solo un sottoinsieme delle istruzioni del processore (esecuzione in modalità utente); non possono decidere autonomamente quando e come avere accesso alle risorse del sistema (richiedono al sistema operativo l esecuzione di alcuni servizi); Sistema operativo Sistema operativo ha accesso a tutte le risorse; può utilizzare tutte le istruzioni del processore (esecuzione in modalità supervisore); stabilisce in che ordine e come le richieste che riceve devono essere soddisfatte; Introduzione ai sistemi informatici 5

6 Generazione 1 ( ) rincipali problemi grossi problemi di affidabilità (guasti frequenti) rigidità nell'assegnazione dei ruoli; non esiste il concetto di programmatore come entità separata dal costruttore di computer e dall'utente utilizzazione lenta e complessa; l'operatore doveva: caricare il programma da eseguire inserire i dati di input eseguire il programma attendere il risultato ricominciare dal punto 1. tutto ciò a causa dell'assenza del sistema operativo Frasi celebri Nel futuro i computer arriveranno a pesare non più di una tonnellata e mezzo (opular Mechanics, 1949) enso che ci sia mercato nel mondo per non più di cinque computer (Thomas Watson, presidente di IBM, 1943) Ho girato avanti e indietro questa nazione (USA) e ho parlato con la gente. Vi assicuro che questa moda dell'elaborazione automatica non vedrà l'anno prossimo(ditor di libri scientifici di rentice Hall, 1947) Introduzione ai sistemi informatici 6

7 Generazione 2 ( ) Definizione: job Un programma o un'insieme di programmi la cui esecuzione veniva richiesta da uno degli utilizzatori del computer Ciclo di esecuzione di un job: il programmatore 1. scrive (su carta) un programma in un linguaggio ad alto livello 2. perfora una serie di schede con il programma e il suo input 3. consegna le schede ad un operatore l'operatore 1. inserisce schede di controllo scritte in JCL 2. inserisce le schede del programma 3. attende il risultato e lo consegna al programmatore Nota: operatore!= programmatore == utente Sistemi operativi batch Monitor software in grado di eseguire una sequenza di job, trasferendo il controllo dall'uno all'altro Detti sistemi batch ("infornata") Generazione 2 ( ) rincipali problemi Molte risorse restavano inutilizzate: durante le operazioni di lettura schede / stampa, durante il caricamento di un nuovo job, il processore restava inutilizzato parte della memoria restava inutilizzata rimo miglioramento (ma non una soluzione) caricamento di numerosi job su nastro (off-line) elaborazione (output su nastro) stampa del nastro di output (off-line) Introduzione ai sistemi informatici 7

8 Generazione 3 Multiprogrammazione ( ) Definizione: multiprogrammazione utilizzare il processore durante i periodi di I/O di un job per eseguire altri job Vantaggi il processore non viene lasciato inattivo (idle) durante operazioni di I/O molto lunghe la memoria viene utilizzata al meglio, caricando il maggior numero di job possibili Nota per gestire la multiprogrammazione, il S.O. deve gestire un pool ("insieme") di job da eseguire, fra cui alternare il processore Multiprogrammazione elaborazione attesa per operazioni di I/O Tempo rogr. 1 rogr. 2 rogr. 3 Tempo elaborazione attesa per operazioni di I/O Introduzione ai sistemi informatici 8

9 S.O. multiprogrammati: quali caratteristiche? routine di I/O devono essere fornite dal S.O. gestione della memoria il sistema deve allocare la memoria per i job multipli presenti contemporaneamente CU scheduling il sistema deve scegliere tra i diversi job pronti ad eseguire allocazione delle risorse di I/O Il sistema operativo deve essere in grado di allocare le risorse di I/O fra diversi processi Generazione 3 - Time-sharing Definizione - Time sharing l estensione logica della multiprogrammazione L'esecuzione della CU viene suddivisa in un certo numero di quanti temporali Allo scadere di un quanto, il job corrente viene interrotto e l'esecuzione passa ad un altro job anche in assenza di richieste di I/O I passaggi (context switch) avvengono così frequentemente che più utenti possono interagire con i programmi in esecuzione Introduzione ai sistemi informatici 9

10 Multiprogrammazione Definizione Round robin assegnare a rotazione la disponibilità di un quanto di tempo della CU ai vari programmi presenti contemporaneamente in memoria. La durata del quanto di tempo incide significativamente sia sulle prestazioni del sistema che sull efficacia del quasi parallelismo, che tende a scomparire se la durata diviene eccessiva e degrada nella sequenzializzazione dei programmi. D altra parte, pur migliorando in generale le proprietà di parallelismo la scelta di un valore molto piccolo può comportare un degrado delle prestazioni complessive del sistema, qualora il tempo di commutazione fra programmi sia dello stesso ordine della durata del quanto di tempo (un valore tipico per il sistema operativo Unix è 100 ms). rocesso vs programma rogramma: entità statica composta dal codice eseguibile dal processore. rocesso: entità dinamica che corrisponde al programma in esecuzione, composto da: codice (il programma); dati (quelli che servono per l esecuzione del programma); stato (a che punto dell esecuzione ci si trova, cosa c è nei registri, ). Introduzione ai sistemi informatici 10

11 Organizzazione di un SO Gerarchia di macchine virtuali La visione della macchina virtuale a livello n è quella fornita dall HW e dagli strati del SO fino all ennesimo (incluso) Organizzazione a strati Ogni macchina virtuale è un insieme di programmi che realizza delle funzionalità che utilizzano i servizi forniti a livello inferiore. Ogni macchina virtuale ha il compito di gestire risorse specifiche di sistema regolandone l uso e mascherandone i limiti. I meccanismi che garantiscono la correttezza logica sono separati dalle politiche di gestione (maggiore flessibilità). ogni strato risolve un problema specifico Introduzione ai sistemi informatici 11

12 Nucleo Interagisce direttamente con l hardware Si occupa dell esecuzione dei programmi e della risposta agli eventi esterni generati dalle unità periferiche. Scopo principale: gestire i processi corrispondenti ai programmi che sono contemporaneamente attivi. er eseguire un programma occorre mantenere il corrispondente processo attivo nella CU In ambiente multi-utente il gestore deve decidere a quale processo assegnare la CU Inoltre deve reagire agli eventi esterni (le interruzioni provenienti dalle periferiche) Attua una politica di alternanza (scheduling) nell accesso alla CU da parte dei processi in esecuzione. Gestore della memoria Il gestore della memoria deve allocare la memoria partizionarla tra i processi che la richiedono Controlla la memoria centrale, al fine di risolvere le relative esigenze dei vari processi in modo trasparente ed efficiente. Consente ai programmi di lavorare in un proprio spazio di indirizzamento virtuale e di ignorare quindi le effettive zone di memoria fisica occupata. Si occupa di: proteggere programmi e relativi dati caricati nella memoria di lavoro; mascherare la collocazione fisica dei dati; permettere, in modo controllato, la parziale sovrapposizione degli spazi di memoria associati ai vari programmi. Fornisce al livello superiore la possibilità di lavorare come se avesse a disposizione una memoria dedicata, di capacità anche maggiore di quella fisicamente disponibile. Introduzione ai sistemi informatici 12

13 Gestore delle periferiche Maschera le caratteristiche hardware delle periferiche Gestisce le operazioni di input e output Fornisce procedure ad alto livello ad esempio per la lettura, scrittura di dati su memorie secondarie scrittura su stampanti, ecc File System (gestore dei file) Gestisce i dati in memoria di massa Struttura i dati in modo gerarchico utilizzando file e directory Fornisce operazioni di alto livello per la gestione di file ad esempio creazione di un nuovo documento, directory ecc rotegge i dati da accessi esterni Garantisce la condivisione sicura dei dati Introduzione ai sistemi informatici 13

14 Interprete dei comandi Modulo del SO direttamente accessibile dall utente Ha la funzione di interpretare i comandi che gli giungono (da tastiera e/o point&click) e di attivare i programmi corrispondenti. Le operazioni che svolge sono: lettura dalla memoria di massa del programma da eseguire; allocazione della memoria centrale; caricamento del programma e dei relativi dati nella memoria allocata; creazione e attivazione del processo corrispondente. La gestione dei processi Introduzione ai sistemi informatici 14

15 laborazione parallela Il concetto di elaborazione parallela si riferisce specificamente: ai dati; alle istruzioni; ai programmi. Il parallelismo a livello di dati e di istruzioni è possibile solo con l impiego di architetture di elaborazione parallela, basate sulla presenza di più unità di elaborazione in grado di eseguire istruzioni in modo concorrente ma anche, per esempio, di adeguati linguaggi di programmazione. Il parallelismo a livello di programma ricade nell ambito dei sistemi stemi operativi. Le condizioni che un sistema operativo deve soddisfare sono: efficienza; interattività; sincronizzazione/cooperazione. SO in time sharing ermette la condivisione della CU tra più processi interattivi Il tempo di esecuzione del processore è condiviso tra più utenti Ogni processo in esecuzione ha a disposizione un quanto di tempo di utilizzo della CU, al termine del quale viene sospeso per lasciare il posto ad un altro processo in attesa di esecuzione Introduzione ai sistemi informatici 15

16 secuzione di un processo Tempo elaborazione attesa per operazioni di I/O Un processo utente può effettivamente essere in esecuzione sulla CU Ogni operazione di I/O consiste in una chiamata al sistema operativo e quindi in una sospensione del processo utente per l esecuzione dell operazione di I/O da parte del kernel Stati di un processo Completamento operazione di I/O (si verifica l evento l atteso) rocesso attivo rocesso in attesa Richiesta operazione di I/O Introduzione ai sistemi informatici 16

17 rocessi non in esecuzione Si possono distinguere due casi rocessi in attesa di un evento esterno (ad esempio I/O) rocessi pronti ad essere eseguiti in attesa della CU Si tratta di due stati diversi: RONTO e ATTSA realizzati con due code diverse Diagramma a tre stati Inizio esecuzione (accodamento ai processi pronti) rocessi pronti Selezione primo processo pronto e sua esecuzione Termine quanto di tempo rocesso in esecuzione Termine elaborazione Completamento operazione di I/O (evento esterno atteso) rocessi in attesa Richiesta operazione di I/O Introduzione ai sistemi informatici 17

18 Transizioni di stato ronto secuzione Il SO stabilisce quale dei processi pronti debba essere mandato in esecuzione. La scelta è fatta dall algoritmo di scheduling che deve bilanciare efficienza e fairness. A secuzione Attesa il processo chiede delle risorse che non sono disponibili o attende un evento il SO salva tutte le informazioni necessarie a riprendere l esecuzione e l informazione relativa all evento atteso nella tabella dei processi A Transizioni di stato Attesa ronto Si verifica l evento atteso dal processo e il SO sposta quel processo nella coda dei processi pronti. A secuzione ronto Termina il quanto di tempo e il processo in esecuzione lascia spazio a un altro processo pronto. Il SO salva (nella tabella dei processi) tutte le informazioni per riprendere l esecuzione del processo dal punto in cui viene interrotta. Contemporaneamente un altro processo passa da pronto a esecuzione. A Introduzione ai sistemi informatici 18

19 riassumendo... Il processo viene creato e viene posto nella coda dei processi pronti; p 2. il primo processo tra i processi pronti viene posto in esecuzione; 3. il processo in esecuzione dispone delle risorse del sistema fino f a a. il termine del quanto di tempo il nucleo interrompe il processo e lo mette in coda ai processi pronti; quando arriva in cima alla coda dei processi pronti, il processo torna in stato in esecuzione, proseguendo con l elaborazione dell istruzione successiva a quella su cui era stato interrotto; b. la richiesta di un operazione di ingresso/ uscita il nucleo sposta sta il processo attivo nello stato di attesa; quando l operazione di ingresso/ uscita si completa il processo può proseguire l elaborazione e viene messo in fondo alla coda dei processi in pronti e prosegue come nel punto precedente; c. il termine delle propria esecuzione (istruzione finale) il processo viene eliminato e rimosso dall elenco dei processi esistenti; in ogni caso il nucleo provvede a sostituirlo con il primo dei processip pronti. Context swapping Il processo non si rende conto delle interruzioni: il nucleo maschera al processo come effettivamente la sua elaborazione evolve nel tempo; il nucleo rende trasparente la presenza delle operazioni di interruzione e di riassegnamento del processore a un processo. Contesto di un processo insieme dei dati che rappresentano lo stato del processo: situazione della memoria, contenuto dei registri, livello di priorità, quando un processo viene interrotto (esce dallo stato di esecuzione) il nucleo provvede a salvare del suo contesto (in una struttura dati chiamata descrittore del processo); quando un processo torna nello stato di esecuzione il nucleo provvede a ripristinare il suo contesto (recuperando i dati precedentemente salvati nel descrittore). Cambio di contesto (context( swapping) si verifica quando un processo (e.g. 1) in esecuzione viene sostituito da un altro processo 2 (il primo del processi pronti); il nucleo provvede a 1.salvare il contesto di 1 e gestirne l evoluzione (pronto vs attesa); 2.ripristinare il contesto di 2 per consentirgli una corretta evoluzione. Introduzione ai sistemi informatici 19

20 Modalità user e modalità kernel I processi possono essere eseguiti in modalità kernel (riservata ai servizi forniti dal sistema operativo) o user (programmi applicativi) non basta più un solo stato di esecuzione, è necessario distinguere le due situazioni; due nuovi stati: esecuzione user e esecuzione kernel. Ci sono due nuove transizione di stato: esecuzione user esecuzione kernel richiesta di servizi al sistema operativo da parte del processo utente, detta chiamata di sistema (SuperVisor Call SVC) evento esterno segnalato da una periferica (Interrupt) esecuzione kernel esecuzione user termine gestione interrupt (return from interrupt RTI) Transizioni di stato Inizio esecuzione (accodamento ai processi pronti) rocessi attivi Selezione primo processo pronto e sua esecuzione RTI rocesso in esecuzione (user) rocessi pronti Termine quanto di tempo rocesso in esecuzione (kernel) Interrupt o SVC Termine elaborazione Completamento operazione di I/O (evento esterno atteso) rocessi in attesa Richiesta operazione di I/O Introduzione ai sistemi informatici 20

21 sempio:esecuzione di 1 e in esecuzione (user( user): esegue una serie di istruzioni; richiede un servizio di I/O, e.g.lettura di un carattere da tastiera [SVC]. 2. SO in esecuzione (kernel( kernel): decide di sospendere 1 finché non termina l operazione di I/O richiesta; r salva il contesto di 1 nel descrittore di 1 e sposta 1 in attesa di carattere da tastiera. sceglie 2 tra i processi pronti per mandarlo in esecuzione; ripristina il contesto di 2 leggendo i dati dal descrittore di 2; manda in esecuzione 2 restituendogli il controllo [RTI] in esecuzione (user( user): esegue una serie di istruzioni; arriva un interrupt da tastiera (evento esterno) e il controllo passa al SO [interrupt]. 4. SO in esecuzione (kernel( kernel): legge il carattere in arrivo dalla tastiera e lo scrive in un buffer di sistema; sposta 1 nella coda dei processi pronti; restituisce il controllo lo a 2 [RTI] in esecuzione (user( user): esegue una serie di istruzioni; arriva un interrupt da orologio (evento esterno) e il controllo passa al SO [interrupt]. 6. SO in esecuzione (kernel( kernel): decide di sospendere 2 perché è scaduto il suo quanto; salva il contesto di 2 nel descrittore di 2 e sposta 2 tra i processi pronti; sceglie 1 tra i processi pronti per mandarlo in esecuzione (ipotesi: ci sono solo 1 e 2); ripristina il contesto di 1 leggendo i dati dal descrittore di 1; manda in esecuzione 1 restituendogli il controllo [RTI] in esecuzione (user( user) Round Robin I/O Fine I/O rocesso 1 A A A rocesso 2 rocesso A Cambio di contesto Introduzione ai sistemi informatici 21

22 concorrenza fra processi Vantaggi dell esecuzione concorrente di più processi: impiegare in maniera trasparente una o più CU (sia inserite in un solo calcolatore che in più calcolatori, collegati in rete); aumentare l utilizzo della CU nei sistemi a partizione di tempo, ove si eseguono più lavori in quasi parallelismo; condividere la stessa risorsa fisica fra diversi utenti in modo del tutto trasparente ma controllato; accedere contemporaneamente, da parte di diversi utenti, a una base di dati comune e centralizzata; roblemi starvation: un processo non riesce ad accedere ad una risorsa perché la trova sempre occupata da altri processi (che per esempio possono avere un livello di priorità maggiore); blocco critico: un insieme di processi rimane bloccato perché ciascuno di essi aspetta delle risorse che sono occupate da un altro processo compreso in questo stesso insieme (vincolo circolare). vitare (prevenzione) o risolvere (eliminazione) situazioni di blocco critico o di starvation riduce le prestazioni complessive del sistema. Interazioni tra processi Le interazioni fra processi sono classificabili in: indesiderate e (spesso) impreviste desiderate e previste. La gestione delle interazioni fra i processi implica la sincronizzazione fra le varie attività che ogni singolo processo deve svolgere in modo parallelo rispetto agli altri la comunicazione, ovvero una modalità per lo scambio dei dati fra i processi Modalità di funzionamento dei processi: in foreground, quando il processo è abilitato all interazione con l utente; in background, quando il processo non è in grado, almeno temporaneamente, di interagire direttamente con l utente; questo è lo stato in cui si trovano parecchi dei processi relativi alle funzioni interne del sistema operativo Introduzione ai sistemi informatici 22

23 Nucleo: macchina astratta CU Memoria di lavoro Memoria di massa Video/tastiera (terminale) Interfaccia I/O Interfaccia I/O BUS dati indirizzi controllo CU virtuale CU virtuale CU virtuale CU virtuale CU virtuale processo processo processo processo processo La gestione della memoria Introduzione ai sistemi informatici 23

24 Gestore della memoria Un programma per essere eseguito deve risiedere in memoria centrale rogrammi che gestiscono l allocazione in memoria centrale del programma p da eseguire ermettere ai programmi e agli utenti di vedere una memoria virtuale di dimensioni maggiori della memoria fisica aginazione: memoria centrale e programmi suddivisi in pagine o segmenti. in tal modo possibile: eseguire un programma di dimensioni maggiori della memoria centrale, partizionando il programma e caricandone in memoria una parte alla volta (quella correntemente in esecuzione) con lo stesso meccanismo, eseguire contemporaneamente più programmi, la somma delle cui dimensioni supera la dimensione della memoria centrale Corrispondenza tra pagine logiche contigue e pagine fisiche non contigue Memoria fisica del calcolatore suddivisa in 8 pagine Spazio fisico F0 Spazio logico L0 Spazio logico F1 F2 L1 L2 Memoria logica del processo 2 (4 pagine logiche) Memoria logica del processo 1 (2 pagine logiche) L0 L1 F3 F4 L3 F5 F6 F7 Introduzione ai sistemi informatici 24

25 aginazione RAM al tempo T1 RAM al tempo T agina 1 processo 1 agina 2 processo 1 Al processo 1 servono nuove pagine. Alcune vecchie non servono più agina 6 processo 1 agina 7 processo 1 agina 5 processo agina 3 processo 1 agina 4 processo agina 3 processo 1 agina 4 processo 1 aginazione La paginazione risolve contemporaneamente tre problemi: 1. Dove mettere il processo in memoria 2. Superare il numero di processi che posso gestire contemporaneamente 3. Superare la dimensione fisica della memoria di lavoro Introduzione ai sistemi informatici 25

26 Gestore memoria: macchina astratta Memoria di lavoro (fisica) Memoria di massa Interfaccia I/O Video/tastiera (terminale) Interfaccia I/O BUS dati indirizzi controllo CU virtuale CU virtuale CU virtuale CU virtuale CU virtuale processo processo processo processo processo Memoria logica Memoria logica Memoria logica Memoria logica Memoria logica Gestione periferiche I/O Introduzione ai sistemi informatici 26

27 Gestore delle periferiche Comunicazione tra l ambiente CU-RAM ed i dispositivi esterni. Mascherare ai processi l esistenza di un numero limitato di risorse. Mascherare ai processi la differenza tra risorse dello stesso tipo (o di tipo simile) Gestione periferiche I/O Comandi ad alto livello per accedere alle periferiche che usano meccanismi quali: i controller, i driver. I sistemi operativi comprendono i driver per la gestione delle periferiche più comuni. Ogni aggiunta o modifica alla configurazione standard comporta l installazione di software addizionale (driver aggiuntivi). Introduzione ai sistemi informatici 27