CAPITOLO III SISTEMI OPERATIVI Cos è un sistema operativo? A c osa serve? Come s v olge il suo lavoro? Corso di Didactics of Computer Science Università degli Studi di Trento
Indice La storia dei sistemi operativi L architettura dei sistemi operativi Il coordinamento delle attività della macchina Sicurezza del computer
Definizione di SO Un sistema operativo (SO) è un insieme di programmi (software) che interagiscono da intermediari tra l utente e le risorse di un calcolatore. Quattro sono le caratteristiche principali: 1. controlla l insieme delle operazioni su un computer 2. fornisce i mezzi con cui un utente può memorizzare e recuperare i file 3. fornisce un interfaccia con cui l utente può eseguire i programmi 4. fornisce l ambiente necessario a eseguire i programmi richiesti
Un paragone.. - Hardware: struttura di una casa (i muri, il pavimento, le pareti) - SO: fornisce i servizi di base che rendono la casa abitabile (luce, acqua, gas, telefono) - Programmi applicativi: l'arredamento. Uno scrittore avrà bisogno di una scrivania (programmi di videoscrittura), chi ama la musica vorrà un impianto stereo (programmi per ascoltare musica), per un bambino servirà la stanza dei giochi (programmi per giocare) e così via..
Esempi di SO per computer Windows (Microsoft) Mac (Apple) Ubuntu (GNU/Linux ) Cosmetica vs pacchetti offerti, filosofia di progettazione, sicurezza e stabilità.
L evoluzione del SO Sito che racconta la storia hardware dei computer http://www.windoweb.it/edpstory_new/eh1960.htm 1950 1960: rivoluzionaria invenzione del transistor (dispositivi semiconduttori usati nell elettronica digitale per amplificare il segnale in entrata o svolgere il ruolo di interruttori) - gli elaboratori (o mainframe) costruiti e venduti in serie, - unici acquirenti: Centri di Calcolo, Università, banche - calcolatori erano molto inaffidabili - le valvole che li componevano si rompevano spesso - non esisteva ancora il concetto di SO - il programma da eseguire veniva inserito ad ogni esecuzione in codice binario attraverso dei primitivi lettori di schede perforate e dopo alcune ore il risultato veniva inviato ad una stampante
L evoluzione del SO Per eseguire dei programmi o job un programmatore doveva: 1. Scrivere il proprio programma su carta 2. Trasferirlo su schede 3. Caricarlo nel computer 4. Attendere il termine dell'esecuzione e la stampa del risultato Tale operazione era molto dispendiosa in termini di tempo e non Tale operazione era molto dispendiosa in termini di tempo e non permetteva di sfruttare la macchina durante le lunghe fasi di caricamento di dati e programmi: manca DMA (direct memory access)
L evoluzione del SO Soluzione: sistema batch (a lotti) l idea di base è dividere il job (istruzioni codificate secondo il job control language JCL) in 3 fasi : 1. caricamento dei dati (coda FIFO, LIFO) 2. calcolo 3. stampa Necessaria la presenza di un operatore che legga ed esegua le istruzioni Nessuna possibilità di modifica delle operazioni in corso il che va bene per attività decise in anticipo (ad esempio elaborazione buste paga) ma non per sistemi prenotazione, computer games etc
L evoluzione del SO 1960: Si riscontra la necessità di un dialogo continuo e veloce. Sviluppo dei Processi interattivi è la macchina che si adegua ai tempi dell utente e non il contrario Processi Real Time: computer è obbligato a eseguire gli ordini entro un tempo di scadenza Dati i costi ingenti si vuole soddisfare più utenti allo stesso tempo: Dati i costi ingenti si vuole soddisfare più utenti allo stesso tempo: Time-sharing (tecnica della multiprogrammazione)*
L evoluzione del SO Programmi vengono salvati nella memoria di massa e si eliminano le schede perforate con la conseguente riduzione degli spazi occupati Svanisce il ruolo dell intermediario tra l utente e la macchina (ad oggi siamo noi i responsabili totali delle nostre azioni sui nostri personal computer) Nascita del ruolo dell amministratore del sistema: controllo attività dei vari account e delle nuove componenti installate, imposta i limiti della memoria Se le istruzioni sono complesse è possibile assegnare compiti diversi a processori diversi per accelerare i tempi: nascono i multiprocessori. Problemi di load balancing (assegnare le attività ai processori in maniera efficiente) e scaling (suddividere le mansioni in sottomansioni in numero compatibile col numero di processori disponibili) E possibile far eseguire più compiti allo stesso utente: Multitasking E possibile connettere computer tra qualsiasi parte del mondo grazie al computer s network per gestire risorse su più macchine
L evoluzione del SO UNIX fu progettato a partire dal 1969 da un gruppo di ricercatori della AT&T, tra cui erano presenti Ken Thompson, Dennis Ritchie e Douglas Mcllroy presso i Bell Laboratories, NJ Si ispirò a Multics, e divenne un sistema molto interattivo, affidabile e ricco di funzionalità, tanto che tuttora domina il mercato delle workstation (tipologia di computer non destinato a specifici compiti)) Furono sviluppate diverse varianti di UNIX, come BSD (Berkley Software Distribution)e Minix (usato in ambito didattico) e successivamente (sulla base di MINIX e UNIX) l'ormai famosissimo Linux
Chi ha inventato Linux? 1991: "Hello everybody out there [...] i'm doing a (free) operating system, just a hobby, won't be big and professional [...]". Linus Torvalds, studente finlandese dell università di Helsinki, è colui che ha iniziato lo sviluppo del kernel Linux. Il sistema operativo GNU/Linux, é entrato nella storia come valida alternativa ai sistemi operativi commerciali a licenza chiusa (come Microsoft Windows, Mac OS X); a differenza di questi ultimi sistemi, infatti, Linux è software libero rilasciato sotto licenza General Public License GPL (chiunque può accedere al codice sorgente del SO, modificarlo, usare l'eseguibile per ogni scopo e copiare legalmente tale software) La popolarità di Torvalds ebbe inizio a seguito di una disputa di carattere tecnico con il professor Andrew Tanenbaum che aveva realizzato per scopi didattici Minix, un SO simile a Unix che veniva distribuito con il codice sorgente ma vietava di apportare modifiche al codice senza l'autorizzazione dell'autore. L'idea di Tux, la mascotte di Linux, è attribuita alla moglie.
L evoluzione del SO Negli anni '80 la tecnologia LSI (large scale integration) porta alla costruzione di chip integrati ed all'abbattimento dei prezzi dell'hardware, facendo sorgere l'era del personal computer Negli anni 80 la Apple era uno dei pochi che credeva nell'idea Personal Computer : un computer ad uso generico le cui dimensioni, prestazioni e prezzo di acquisto lo rendano adatto alle esigenze del singolo individuo. All'epoca era difficile immaginare cosa potesse farsene una persona di un computer in casa, figuriamoci di un computer per quasi ogni componente della stessa famiglia La Xerox lancia il primo Sistema Operativo con interfaccia grafica La Apple prende in prestito questa idea e lancia nel 1984 il Mac OS, primo sistema operativo per personal Computer Successivamente la Microsoft avrebbe commercializzato Windows (novembre 1985)
L evoluzione del SO Oggigiorno è disponibile una grande varietà di sistemi di elaborazione dalle più disparate dimensioni e performance a costi contenuti : - SO per cellulari: Android, Apple ios, BlackBerry,Symbian OS. - smartphone cellulare intelligente : dispositivo portatile che abbina funzionalità di telefono cellulare a quelle di gestione di dati personali. - sistemi embedded (incorporati): progettati appositamente per una determinata applicazione ovvero non riprogrammabili. Esempi: sportelli bancomat, apparecchi POS, decoder digitali, elettrodomestici, dispositivi medici, navette spaziali.. Forse un giorno riusciremo ad avere dei computer pesanti solo 1 tonnellata e grandi qualche metro quadrato. (Dipendente IBM verso gli anni 50)
Analisi dell architettura del SO Programmi utili per l utente: -Fogli di calcolo -Database -Editoria -Giochi Programmi non inclusi ma che utente sceglie in base ai propri gusti: -compressione dati -multimedialità -chat -creazione cd Fornisce infrastrutture richieste dall application software per regolarne attività
Interfaccia Permette la comunicazione tra le azioni richieste dall utente e il computer Quelle più datate (shell) comunicavano tramite messaggi sullo schermo inseriti con la tastiera Quelle più moderne GUI (graphical user interface) permettono la manipolazione degli oggetti rappresentati da icone tramite il mouse, dispositivi touch o puntatori grafici Qualche SO permette di sceglierne fra varie Una componente importante è il Windows Manager (WM) che riserva porzioni dello schermo (finestre) per visualizzare le applicazioni in uso. E il WM che reagisce nel punto corretto e con l applicazione selezionata quando clicchiamo il mouse.
Kernel Contiene le informazioni per svolgere le funzioni di base al momento dell installazione del SO: Componenti del kernel (nucleo): File manager (contiene l annotazione di tutti i file salvati nella memoria, dove sono e quali utenti possono accedervi. Per convenienza permette un organizzazione gerarchica delle cartelle espressa dal percorso) Driver delle periferiche: unità del software che comunicano con stampanti, monitor, etc Memory manager: incaricata di coordinare l uso della memoria principale quando i programmi vengono eseguiti. Quando lo spazio di memoria richiesta eccede lo spazio libero crea l illusione di avere dello spazio di memoria addizionale: Paging. E possibile caricare i blocchi di memoria solo quando necessario tramite una memoria virtuale poiché i programmi raramente utilizzano tutte le parti del loro codice contemporanemante Scheduler: fa avanzare più processi parallelamente interrompendoli quando opportuno ed eseguendo un cambio di contesto (switch) Dispatcher:controlla il tempo per queste attività
Windows Manager e interfaccia Mac OS e DOS
Cosa succede all accensione della macchina? Procedura Boot strapping (booting) : SO viene trasferito dalla memoria di massa dove è memorizzato permanentemente alla memoria principale che è volatile quindi vuota ad ogni accensione. Dopo il booting è il SO che controlla l attività della macchina Problema: la memoria principale essendo volatile perde tutti i dati ad ogni arresto Soluzione: si inserisce un programma chiamato Boot Loader che fa eseguire alla CPU le istruzioni iniziali nella ROM (read only memory) porzione di memoria principale non alterabile Domanda: perché non caricare tutto il SO sulla memoria principale ed evitare il booting? Non sarebbe una scelta efficiente in termini di occupazione spazio e non sarebbero possibili gli aggiornamenti di cui un SO necessita ai fini della sicurezza Firmware Update: aggiorna il SO Firmware system: attività fondamentali di I/O prima che SO diventi funzionante, include la BIOS (basic input output system)
Il SO come coordina l attività della macchina? Differenza tra programma (spartito) ed esecuzione di un programma (suonatore) Processo: attività di eseguire un programma sotto il controllo della CPU Stato di un processo: stato corrente dell attività eseguita identificato dai valori del registro della CPU e dalle relative celle assegnate La gestione dei processi è affidata a: - Scheduler: sa quali processi sono presenti nel computer, introduce quelli da eseguire e cancella quelli eseguiti. Per tenere traccia di tutte le informazioni usa una memoria chiamata tavola dei processi. Ogni volta che è richiesta l esecuzione di un programma crea una nuova entrata per quel processo nella tavola assegnandogli una priorità: vi sono due tipi di priorità, processi pronti o in attesa - Dispatcher: controllo l esecuzione e i tempi dei processi scheduled, indispensabile per la tecnica della multiprogrammazione
Multiprogrammazione tra i processi A e B Azionato da un circuito a tempo interrompe lavoro CPU che salva posizione corrente Esempi: Click, tasto, power Microsecondi: 10 6 s Fondamentale è la capacità si saper riprendere lavoro e ricreare l ambiente
Sicurezza del sistema informatico Vogliamo un SO ben progettato, affidabile, protetto e sicuro (evitare danneggiamento file o perdita dati causa crash del sistema) Ingegneria del software Per evitare attacchi esterni è conveniente: - se il computer è utilizzato da più persone servirsi di account con username e password (procedura Login), - creazione del ruolo dell amministratore: account che detiene privilegi speciali come ad esempio il poter monitorare il comportamento degli altri utenti e modificare i pacchetti del software - sviluppo di Auditing software: segnalano comportamenti insoliti rispetto alle azioni svolte dall utente in genere o vari tentativi errati di inserimento password Pericolo degli Sniffing software: memorizzano le attività svolte dall utente e le riportano a un intruso Il rischio principale resta la noncuranza degli utenti che usano password troppo facili come nomi o date, non le cambiano mai e le passano tra amici. Un sito per creare password robuste: http://www.marbaro.it/creare_password_complesse.htm
Sicurezza del sistema informatico Una volta ottenuto l access0 come amministratore si possono esplorare tutte le informazioni contenute e inserire software distruttivi. Ad esempio si può indurre il Memory Manager a permettere accessi fuori dall area assegnata occupando spazi di altri programmi, se un processo diventa capace di alterare gli intervalli di tempo che regolano la multiprogrammazione allora è in grado di dominare la macchina intera, etc.. Protezione da attacchi interni: oggi le CPU sono dotate di meccanismi per sventare tali attacchi, ma è necessario continuare a lavorare in questo settore! CPU ha una modalità privilegiata (istruzioni limitate) e una non privilegiata Il tentativo di svolgere un istruzione privilegiata quando la CPU è in modalità non privilegiata causa un arresto. All accensione è in modalità privilegiata, dopo il booting e all inizio di ogni time slice è in modalità non privilegiata così da permettere gli arresti
Che cos è l hacking? La pirateria informatica Un video (in inglese) che ce lo spiega in tre minuti: http://www.youtube.com/watch?v=hzc6bonjgsq Hacker: un esperto informatico con ottime capacità d'uso del pc, che nell'ampliamento delle sue conoscenze. Si differenziano in white hat e black hat (dai film western) si diverte White hat: crede che la rete internet sia un grande mezzo per permettere la comunicazione di notizie in tutto il mondo da parte di tutti e s'impegna nella difesa d'integrità di questo strumento. Ad esso contrapposto, il Black hat o cracker. Molti hacker tentano di convincere l'opinione pubblica che gli intrusi che entrano all'interno dei sistemi informatici senza autorizzazione con l'unico scopo di causare danno dovrebbero essere chiamati cracker piuttosto che hacker, ma l'uso errato permane nel vocabolario comune della gente.
Fine