Il Software. Riferimenti: Console cap. 4-5 [Curtin cap. 6] Versione: 09/04/2007 Corso di Informatica 1

Il Software Riferimenti: Console cap. 4-5 [Curtin cap. 6] Versione: 09/04/2007 Corso di Informatica 1

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: 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 09/04/2007 Facoltà di Farmacia - Corso di Informatica 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! 09/04/2007 Facoltà di Farmacia - Corso di Informatica 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. 09/04/2007 Facoltà di Farmacia - Corso di Informatica 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 09/04/2007 Facoltà di Farmacia - Corso di Informatica 5

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) 09/04/2007 Facoltà di Farmacia - Corso di Informatica 6

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 linguaggio ad alto livello HW linguaggio macchina macchina virtuale 09/04/2007 Facoltà di Farmacia - Corso di Informatica 7

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 09/04/2007 Facoltà di Farmacia - Corso di Informatica 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 09/04/2007 Facoltà di Farmacia - Corso di Informatica 9

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 09/04/2007 Facoltà di Farmacia - Corso di Informatica 10

Utente Il sistema operativo medesimo linguaggio ad alto livello Utente HW1 macchina virtuale 1 diversi linguaggi macchina 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 11

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 hardware kernel: gestione del processore, della memoria, dei dispositivi di I/O interfaccia utente 12

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 13

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) 09/04/2007 Facoltà di Farmacia - Corso di Informatica 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) 09/04/2007 Facoltà di Farmacia - Corso di Informatica 15

Il bootstrap Bootstrap = Avvio dell elaboratore Problema: La CPU esegue esclusivamente programmi in memoria principale RAM volatile i programmi (e il SO) in RAM vengono persi quando si spegne il computer. Come fare? Soluzione: Mettere i programmi in memoria secondaria 09/04/2007 Facoltà di Farmacia - Corso di Informatica 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 RAM volatile vuota quando si accende il computer Come fare? 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

Terzo problema: Il bootstrap La CPU esegue esclusivamente programmi in memoria principale e il BIOS è un programma come gli altri RAM volatile vuota quando si accende il computer. Come fare? Soluzione: Memorizziamo il BIOS in una parte della memoria principale non volatile: la ROM 09/04/2007 Facoltà di Farmacia - Corso di Informatica 19

Dubbio: Il bootstrap 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, ) 09/04/2007 Facoltà di Farmacia - Corso di Informatica 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 21

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) 09/04/2007 Facoltà di Farmacia - Corso di Informatica 22

Avvio dell elaboratore In seguito, viene caricata la prima parte del s.o. 23

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 09/04/2007 Facoltà di Farmacia - Corso di Informatica 24

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. 09/04/2007 Facoltà di Farmacia - Corso di Informatica 25

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 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 09/04/2007 Facoltà di Farmacia - Corso di Informatica 28

Processi (esercizio) Windows (XP, Vista, 7) è multitasking: premere contemporaneamente i tasti Ctrl+Alt+Canc e andare su Task Manager/Processi per visualizzare i 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 inefficienza! Soluzione: multitasking Il S.O. assegna la CPU a un altro processo e la restituisce al primo quando l I/O è terminato 09/04/2007 Facoltà di Farmacia - Corso di Informatica 30

Processi Più in dettaglio, un processo può trovarsi in uno dei tre stati: in esecuzione, cioè è in esecuzione nella CPU ( 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 09/04/2007 Facoltà di Farmacia - Corso di Informatica 31

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. Come realizzare questi obiettivi dipende dal contesto (es. sistemi batch vs interattivi). 09/04/2007 Facoltà di Farmacia - Corso di Informatica 32

Processi (esercizio) Task Manager (Ctrl+Alt+Canc) frazione di tempo che un processo trascorre in esecuzione nella CPU 33

Memoria virtuale (perche?) Problemi di spazio Come eseguire programmi e usare dati più grandi della memoria principale (memoria fisica)? 35

Memoria virtuale (perche?) Problemi di frammentazione A volte un programma non riesce a essere caricato sebbene ci sia abbastanza memoria a disposizione. 36

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 37

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 09/04/2007 Facoltà di Farmacia - Corso di Informatica 38

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. 39

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 40

Memoria virtuale Problemi di spazio Le pagine vengono riportate in memoria quando servono nuovamente, eventualmente spostandone altre su disco 41

Memoria virtuale (esercizio) 1. Start / Risorse del computer 2. C: 3. Visualizzare i file nascosti (Strumenti / Opzioni cartella / Visualizzazione / Visualizza cartelle e file nascosti) 4. pagefile.sys è il file di paging file di paging: parte dell hard disk dedicata alla memoria virtuale 42

Memoria virtuale (esercizio) Task Manager (Ctrl+Alt+Canc) / Prestazioni RAM (512 MB) memoria virtuale usata dal S.O. e dalle applicazioni (Totale) e massima utilizzabile (Limite), cioè RAM + file di paging 43

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 44

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 09/04/2007 Facoltà di Farmacia - Corso di Informatica 46

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, ) 09/04/2007 Facoltà di Farmacia - Corso di Informatica 47

Interazione testuale Basata su comandi scritti tramite tastiera Es. L interfaccia Vogliamo è trovare più rapida tutti da i file usare di testo per nella utenti directory esperti. corrente che contengono la Richiede stringa poca ab nel memoria nome. principale Script (programmi costituiti da dir comandi) *ab*.txt Molto usata nei sistemi Unix-like (es. Linux, o Mac Os X, OpenBSD, ) 09/04/2007 Facoltà di Farmacia - Corso di Informatica 48

Interazione testuale (esercizio) Start/Programmi/Accessori/Prompt dei comandi Scrivere dir e premere Invio per visualizzare il contenuto della home directory 49

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, 09/04/2007 Facoltà di Farmacia - Corso di Informatica 50

Il File System 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 09/04/2007 Facoltà di Farmacia - Corso di Informatica 53

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 09/04/2007 Facoltà di Farmacia - Corso di Informatica 54

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? 55

Il File System 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) 56

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 09/04/2007 Facoltà di Farmacia - Corso di Informatica 57

Il File System Esempio: indice disco fisso Nota: anche l indice è su disco fisso 58

Il File System Esempio: indice 1. crea disco fisso 09/04/2007 Facoltà di Farmacia - Corso di Informatica 59

Il File System Esempio: : pagine 0, 1, 2 indice 1. crea disco fisso 09/04/2007 Facoltà di Farmacia - Corso di Informatica 60

Il File System Esempio: : pagine 0, 1, 2 2. crea file 2 09/04/2007 Facoltà di Farmacia - Corso di Informatica 61

file 2 Il File System Esempio: : pagine 0, 1, 2 file 2: pagina 3 2. crea file 2 09/04/2007 Facoltà di Farmacia - Corso di Informatica 62

file 2 Il File System Esempio: : pagine 0, 1, 2 file 2: pagina 3 3. modifica (più lungo) 09/04/2007 Facoltà di Farmacia - Corso di Informatica 63

file 2 Il File System Esempio: : pagine 0, 1, 2, 4 file 2: pagina 3 3. modifica (più lungo) 09/04/2007 Facoltà di Farmacia - Corso di Informatica 64

file 2 Il File System Esempio: : pagine 0, 1, 2, 4 file 2: pagina 3 4. modifica file 2 (più lungo) 09/04/2007 Facoltà di Farmacia - Corso di Informatica 65

file 2 file 2 Il File System Esempio: : pagine 0, 1, 2, 4 file 2: pagine 3, 5 4. modifica file 2 (più lungo) 09/04/2007 Facoltà di Farmacia - Corso di Informatica 66

file 2 file 2 Il File System Esempio: : pagine 0, 1, 2, 4 file 2: pagine 3, 5 5. crea file 3 09/04/2007 Facoltà di Farmacia - Corso di Informatica 67

file 2 file 2 file 3 file 3 Il File System Esempio: : pagine 0, 1, 2, 4 file 2: pagine 3, 5 file 3: pagine 6, 7 5. crea file 3 09/04/2007 Facoltà di Farmacia - Corso di Informatica 68

file 2 file 2 file 3 file 3 Il File System Esempio: : pagine 0, 1, 2, 4 file 2: pagine 3, 5 file 3: pagine 6, 7 6. crea file 4 09/04/2007 Facoltà di Farmacia - Corso di Informatica 69

file 4 file 2 file 2 file 3 file 3 file 4 Il File System Esempio: : pagine 0, 1, 2, 4 file 2: pagine 3, 5 file 3: pagine 6, 7 file 4: pagine 8, 9 6. crea file 4 09/04/2007 Facoltà di Farmacia - Corso di Informatica 70

file 4 file 2 file 2 file 3 file 3 file 4 Il File System Esempio: : pagine 0, 1, 2, 4 file 2: pagine 3, 5 file 3: pagine 6, 7 file 4: pagine 8, 9 7. cancella file 3 09/04/2007 Facoltà di Farmacia - Corso di Informatica 71

file 4 file 2 file 2 file 4 Il File System Esempio: : pagine 0, 1, 2, 4 file 2: pagine 3, 5 file 3: pagine 6, 7 file 4: pagine 8, 9 7. cancella file 3 09/04/2007 Facoltà di Farmacia - Corso di Informatica 72

file 4 file 2 file 2 file 4 Esempio: Il File System : pagine 0, 1, 2, 4 file 2: pagine 3, 5 file 3: pagine 6, 7 file 4: pagine 8, 9 Notare la frammentazione: le pagine di alcuni file non sono contigue 09/04/2007 Facoltà di Farmacia - Corso di Informatica 73

Il File System 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 funzionalità 74

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,...) 09/04/2007 Facoltà di Farmacia - Corso di Informatica 75

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 09/04/2007 Facoltà di Farmacia - Corso di Informatica 76

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 09/04/2007 Facoltà di Farmacia - Corso di Informatica 77

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 78

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 79

Organizzazione gerarchica dei file 09/04/2007 Facoltà di Farmacia - Corso di Informatica 80

Organizzazione gerarchica dei file Struttura ad albero (rovesciato, come l albero genealogico) Corsi Inglese Francese Tedesco Spagnolo Appunti.txt Dispense.pdf Elab_imm coreldrw.exe Disco rimovibile (E:) Applicazioni Elab_suoni photopnt.exe radice Libri Appunti.txt Elab_testi Francese Inglese Italiano Winword.exe libro1 libro2 libro1 libro2 libro3 libro1 libro2 libro3 09/04/2007 Facoltà di Farmacia - Corso di Informatica 81

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) 82

Organizzazione gerarchica dei file 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 09/04/2007 Facoltà di Farmacia - Corso di Informatica 84

Organizzazione gerarchica dei file Corsi Inglese Francese Tedesco Spagnolo Appunti.txt Dispense.pdf Disco rimovibile (E:) Applicazioni posizione corrente Libri Appunti.txt Elab_imm Elab_suoni Elab_testi Francese Inglese Italiano coreldrw.exe photopnt.exe Winword.exe libro1 libro2 libro1 libro2 libro3 libro1 libro2 libro3 09/04/2007 Facoltà di Farmacia - Corso di Informatica 85

Organizzazione gerarchica dei file Esempi : Posizione corrente: Libri; il file libro1 in lingua italiana è identificato da Italiano\libro1 09/04/2007 Facoltà di Farmacia - Corso di Informatica 86

Organizzazione gerarchica dei file Corsi Inglese Francese Appunti.txt Dispense.pdf posizione corrente Tedesco Spagnolo Elab_imm coreldrw.exe Disco rimovibile (E:) Applicazioni Elab_suoni photopnt.exe Elab_testi Winword.exe Libri Appunti.txt Francese Inglese Italiano libro1 libro2 libro1 libro2 libro3 libro1 libro2 libro3 09/04/2007 Facoltà di Farmacia - Corso di Informatica 87

Organizzazione gerarchica dei file Esempi : Posizione corrente: Inglese; il file Dispense.pdf è identificato da Dispense.pdf Un file è identificato dal pathname relativo 09/04/2007 Facoltà di Farmacia - Corso di Informatica 88

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 09/04/2007 Facoltà di Farmacia - Corso di Informatica 89