Il Software Versione: 11/10/13 Software e Sistema Operativo Riferimenti: Curtin cap. 6 Console cap. 4-5 1 L hardware da solo è soltanto un insieme di ferro, plastica e silicio e non è sufficiente per il funzionamento dell elaboratore Occorre utilizzare il software: un insieme di programmi che permettono di trasformare un insieme di circuiti elettronici in un oggetto in grado di svolgere funzioni di varia natura I computer sono programmabili: possono svolgere compiti diversi in base a istruzioni contenute nei programmi 2 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 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 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 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 o software di base) 5 6 1
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 Il sistema operativo Sistema Operativo: insieme di programmi che interagiscono e cooperano tra di loro per: gestire efficientemente il computer e le sue periferiche creare un ambiente virtuale per facilitare l'interazione uomo-macchina macchina virtuale 7 8 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 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 9 10 Utente HW1 macchina virtuale 1 Il sistema operativo medesimo linguaggio ad alto livello diversi linguaggi macchina Utente HW2 macchina virtuale 2 Struttura a livelli del s.o. Il s.o. ha una struttura a cipolla, ogni livello: 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 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 11 hardware kernel: gestione del processore, della memoria, dei dispositivi di I/O interfaccia utente 12 2
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 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) 13 14 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) 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) 15 16 Il bootstrap Bootstrap = Avvio dell elaboratore Primo problema: La CPU esegue esclusivamente programmi in memoria principale RAM volatile à vuota quando si accende il computer Come fare? Prima soluzione: Mettere i programmi in memoria secondaria 17 Il bootstrap Secondo problema: Per caricare i programmi da memoria secondaria usiamo il file system (cioè il sistema operativo) Ma il s.o. risiede in RAM à RAM volatile à vuota quando si accende il computer Come fare? Seconda soluzione: Usiamo un piccolo programma (BIOS), molto semplice, che ha il compito di caricare (la prima parte de) il s.o. da memoria secondaria 18 3
Il bootstrap Terzo problema: La CPU esegue esclusivamente programmi in memoria principale RAM volatile à vuota quando si accende il computer Come fare? Terza soluzione: Memorizziamo il BIOS in una parte della memoria principale non volatile: la ROM Il bootstrap Dubbio: Non possiamo memorizzare direttamente il s.o. in ROM? 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, ) 19 20 Riassumendo: Il 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 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) 21 22 Avvio dell elaboratore In seguito, viene caricata la prima parte del s.o. 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 23 24 4
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. 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 (presenza di errori nel file system?) 25 26 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) 27 Multitasking I moderni s.o. sono 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 possono eseguire più programmi contemporaneamente? Soluzione: il s.o. alterna i programmi assegnando la CPU a turno è 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 28 Processi (esercizio) Windows XP è multitasking: per visualizzare i processi premere contemporaneamente i tasti Ctrl+Alt +Canc e andare su Task Manager (o Gestione attività) /Processi processo = programma in esecuzione 29 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 à inefficienza! Soluzione: multitasking Il S.O. assegna la CPU a un altro processo e la restituisce al primo quando l I/O è terminato 30 5
Processi Un processo può trovarsi in uno dei tre stati: in esecuzione, cioè è in esecuzione nella CPU (à max un processo in esecuzione per ogni CPU) in attesa, cioè attende che un operazione di I/ O termini (o qualche altro evento esterno si verifichi) pronto, cioè può andare in esecuzione, ma la CPU è occupata ad eseguire un altro processo pronto selezionato dal s.o. in esecuzione Processi Il s.o. ha il compito di scegliere quale tra i processi pronti mandare in esecuzione in modo da usare l elaboratore in modo efficiente (no sprechi) ed efficace (per es. con tempi di attesa limitati) I/O terminato o risorsa disponibile interrotto per lasciare la CPU a un altro processo in attesa richiesta I/O o risorsa 31 32 Gestione attività (Ctrl+Alt+Canc) Processi (esercizio) frazione di tempo che un processo trascorre in esecuzione nella CPU 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) 33 34 Memoria virtuale Problema: Come eseguire programmi e usare dati più grandi della memoria principale (memoria fisica)? Memoria virtuale 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 più grande di quella effettivamente installata e contigua Per questo si chiama memoria virtuale 35 36 6
Memoria virtuale Non è necessario mantenere sempre in memoria tutti i programmi in esecuzione Le parti (pagine) dei programmi usate meno spesso vengono spostate su hard disk Memoria virtuale Le pagine vengono riportate in memoria quando servono nuovamente, eventualmente spostandone altre su disco 37 38 Memoria virtuale Il s.o. traduce automaticamente gli indirizzi virtuali (usati dalle applicazioni) in indirizzi fisici memoria virtuale RAM altri programmi Memoria virtuale (esercizio) 1. Start / Computer 2. C: 3. Visualizzare i file nascosti (Organizza / Opzioni cartella e ricerca / Visualizzazione / Visualizza cartelle, file e unità nascosti) 4. pagefile.sys è il file di paging file di paging: la parte dell hard disk dedicata alla memoria virtuale hard disk 39 40 Memoria virtuale (esercizio) Gestione attività (Ctrl+Alt+Canc) / Prestazioni memoria virtuale usata dal S.O. e dalle applicazioni (Totale) e massima utilizzabile (Limite), cioè RAM + file di paging RAM (512 MB) Memoria virtuale 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 s.o. impiega più tempo a trasferire le pagine da e su disco che a effettuare lavoro utile Sintomo: l hard disk viene usato intensamente e il computer è inutilizzabile Soluzione: Aumentare la quantità di RAM oppure usare meno programmi contemporaneamente 41 42 7
Memoria virtuale Dato che la RAM è molto più veloce dell hard disk, aumentare la quantità di RAM può migliorare le prestazioni del computer, perché il s.o. dovrà fare ricorso meno frequentemente all hard disk per implementare la memoria virtuale 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) 43 44 Il sistema operativo Due tipi di interazione utente/ sistema operativo: interazione testuale MS-DOS, Mac OS X, Linux interazione grafica Mac OS X, Linux Windows 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 45 46 Interazione testuale (esercizio) Start/Tutti i programmi/accessori/ Prompt dei comandi Scrivere dir e premere Invio per visualizzare il contenuto della home directory 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, 47 48 8
Interazione grafica Concetti principali finestra icona menu menu item pop-up menu (menu a tendina) button (pulsante) toolbar (barra degli strumenti) necessitano del mouse 49 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) 50 File 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 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 51 52 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) Soluzione: utilizzo di un 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) Come risolvere questi problemi? 53 54 9
L indice è memorizzato sul dispositivo di mem. secondaria Contiene i nomi dei file e le pagine (cluster) associate L utente può conoscere i nomi dei file memorizzati leggendo l indice Il file system usa l indice per: reperire i cluster che compongono i file e trovare lo spazio libero per nuovi file 55 disco fisso indice Nota: anche l indice è su disco fisso 56 1. crea : cluster 0, 1, 2 1. crea 57 58 : cluster 0, 1, 2 2. crea : cluster 0, 1, 2 : cluster 3 2. crea 59 60 10
: cluster 0, 1, 2 : cluster 3 3. modifica (più lungo) : cluster 0, 1, 2, 4 : cluster 3 3. modifica (più lungo) 61 62 : cluster 0, 1, 2, 4 : cluster 3 4. modifica (più lungo) : cluster 0, 1, 2, 4 : cluster 3, 5 4. modifica (più lungo) 63 64 : cluster 0, 1, 2, 4 : cluster 3, 5 5. crea : cluster 0, 1, 2, 4 : cluster 3, 5 : cluster 6, 7 5. crea 65 66 11
: cluster 0, 1, 2, 4 : cluster 3, 5 : cluster 6, 7 6. crea : cluster 0, 1, 2, 4 : cluster 3, 5 : cluster 6, 7 : cluster 8, 9 6. crea 67 68 : cluster 0, 1, 2, 4 : cluster 3, 5 : cluster 6, 7 : cluster 8, 9 7. cancella : cluster 0, 1, 2, 4 : cluster 3, 5 : cluster 6, 7 : cluster 8, 9 7. cancella il viene eliminato solo dall indice; i cluster 6 e 7 verranno sovrascritti alla prima occasione 69 70 : cluster 0, 1, 2, 4 Notare la : cluster 3, 5 frammentazione: i : cluster 6, 7 cluster di alcuni file : cluster 8, 9 non sono contigui : esercizio Per deframmentare: Start / Tutti i programmi / Accessori / Utilità di sistema / Utilità di deframmentazione dischi 71 72 12
Il file system deve fornire una visione astratta dei file, consentendo all utente di: dare un nome ai file (filename) manipolare i file (operazioni): creare, cancellare, copiare, rinominare, modificare accedere alle informazioni indipendentemente dal supporto fisico (vedere file su hard disk e su CD allo stesso 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 Tutti i sistemi operativi 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,...) funzionalità 73 74 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 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 75 76 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 77 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 78 13
Struttura ad albero (rovesciato, come l albero genealogico) Corsi Inglese Francese Tedesco Spagnolo Appunti.txt Dispense.pdf Disco rimovibile (E:) Applicazioni Elab_imm Elab_suoni coreldrw.exe photopnt.exe 79 radice Libri Appunti.txt Elab_testi Francese Inglese Italiano Winword.exe libro3 libro3 80 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) 81 Esempi : il file in lingua italiana è identificato da E:\Libri\Italiano\ 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 82 In alternativa, si può usare il concetto di posizione 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 83 Disco rimovibile (E:) Corsi Applicazioni posizione corrente Libri Appunti.txt Inglese Francese Tedesco Spagnolo Elab_imm Elab_suoni Elab_testi Francese Inglese Italiano Appunti.txt Dispense.pdf coreldrw.exe photopnt.exe Winword.exe libro3 libro3 84 14
Esempi : Posizione corrente: Libri; il file in lingua italiana è identificato da Italiano\ Disco rimovibile (E:) Corsi posizione corrente Applicazioni Inglese Francese Tedesco Spagnolo Elab_imm Elab_suoni Appunti.txt Dispense.pdf coreldrw.exe photopnt.exe Elab_testi Winword.exe 85 Libri Appunti.txt Francese Inglese Italiano libro3 libro3 86 Esempi : Posizione corrente: Inglese; il file Dispense.pdf è identificato da Dispense.pdf Per organizzare gerarchicamente i file in directory e sottodirectory, il s.o. fornisce alcune operazioni. Per es.: creare una nuova directory cancellare una directory Un file è identificato dal pathname relativo 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 87 88 15