2009-2010 Ingegneria Aerospaziale Prof. A. Palomba - Elementi di Informatica (E-Z) 13 Il Software Il sistema Operativo Il processo Lo scheduler dei processi Il S. O. e l utenza Le modalità di elaborazione Lez. 13 1
Nella terminologia informatica esistono due termini che caratterizzano una prima valutazione componentistica di un calcolatore: hardware software Hardware(ferraglia) L insieme di tutti i componenti elettronici, elettrici e meccanici presenti in un sistema elaboratore. In termini poveri è tutto ciò che si può toccare, (schede, connettori, cavetteria, schermo,tastiera, disco rigido,...) Software(invisibile o logicale) Complesso dei programmi operanti sulla macchina, sufficienti a coprire le esigenze di elaborazione. Lez. 13 2
Qualcuno, in riferimento a queste due componenti, ha detto: L Hardware è la parte del computer che si può prendere a calci; Il Software quella contro cui si può solo imprecare Solo hardware, la macchina è solo ferraglia inerme; Hardware+Software = la macchina è capace di elaborare Il software idealmente abbraccia l hardware assumendo il ruolo di guida. firmware HW software Lez. 13 3
In realtà, nella rappresentazione a strati, fra hardware e software si interpone uno strato particolare, il firmware (microprogrammi scritti su memorie permanenti della CU e a sola lettura (ROM) che agiscono direttamente al di sopra dello strato hardware. ) Con l attuale tecnologia delle memorie il firmware può essere riscritto (aggiornato) se la memoria è una tecnologia EPROM oppure EEPROM (Flash memory). Le caratteristiche hardware si riflettono sulla elaborazione in termini prevalentemente quantitativi (velocità di esecuzione,capacità di memorizzazione, capacità e qualità della grafica,..) Le caratteristiche software si riflettono sulla elaborazione in termini qualitativi (possibilità operative, correttezza delle elaborazioni, modalità di gestione delle operazioni,..) Lez. 13 4
Dalla generalità del termine software ne scaturisce una classificazione in: -Software di base (o Sistema operativo) -Software applicativo ( gli ambienti di lavoro: C++, Word, Excel..) -Software di utente (un programma in C++, una lettera scritta con Word, il foglio elettronico contabilità del condominio,..) HW S.O. applicativo Il software di utente vede solo il Software applicativo Il software applicativo vede solo il S.O. Il S.O. è l unico a contatto con l hw della macchina costo SW utente 1960 oggi Lez. 13 5 HW
Sistema Operativo : Un complesso di programmi, operanti direttamente al di sopra della macchina fisica, mascherandone le caratteristiche, con le funzioni di interfaccia uomo/macchina, rendendo del tutto trasparente all utenza i problemi di gestione del computer Osservando un CD-ROM non si sa cosa contenga (il S.O. riesce a saperlo) Lanciando una stampa su una stampante remota non si sa se è in linea o fuori linea. (il S.O. riesce a saperlo) Per cancellare un documento da un dischetto non si sa come fare (il S.O. sa come farlo) Lez. 13 6
Componente hardware + Macchina estesa Sistema + Operativo Software applicativo Macchina virtuale L architettura interna della macchina (CPU,memoria,registri) La organizzazione fisica dei supporti di memorizzazione I meccanismi di interfacciamento con le periferiche Le problematiche di gestione sono completamente mascherati dal S.O all utente che rivolge il suo interesse a cosa fa la macchina e non a come lo fa. Lez. 13 7
Un S. O. include nel package diversi programmi, tra cui: Kernel (nucleo) per gestire i processi Caricatore per caricare in memoria centrale i programmi detto anche gestore della memoria Interprete (shell) dei comandi, di solito dotato di interfaccia grafica Il file system di Utilità di Gestione della memoria di Gestione delle periferiche (drivers) Il mondo dei sistemi operativi MS-DOS OS OS // 2 UNIX UNIX MAC MAC OS OS WINDOW Passaggio da interfacce testuali ad interfacce grafiche Lez. 13 8
Architettura di un sistema operativo Kernel Gestore memoria HW Gestore periferiche Gestore file system Programmi utilità Architettura a strati (livelli) detta anche a buccia di cipolla Shell Programmi utente Lez. 13 9
Sinteticamente un S. O. opera: -Interpretando i comandi di utente -Attribuendo risorse (CPU, memoria, canali I/O) ) -Coordinando l esecuzione dei comandi In realtà le funzionalità di un S.O. sono più estese e essenzialmente riconducibili a: Pianificazione della memoria centrale Pianificazione e controllo avanzamento processi su CPU Gestione sistema Pianificazione attività processori I/O Gestione delle interruzioni Gestione unità periferiche Accettazione utente (password, diritti accesso,...) Interpretazione richieste Gestione lavori Pianificazione attività richieste (priorità, risorse disponibili) Gestione attività di spooling Esecuzione attività unità periferiche Lez. 13 10
Gestione dati Allocazione/Reperimento dati su supporti fisici (file system) Assegnazione dati ad utenti abilitati Condivisione dati Protezioni dati Gestione comunicazioni Condivisione risorse Trasferimento dati Interfacciamento alla rete L evoluzione dei S. O., a parte la complessità operativa, è caratterizzata dal passaggio da interfacce utente testuali alle interfacce grafiche (GUI) che, abbattendo il nozionismo della rigida sintassi dei comandi ( MS-DOS), hanno facilitato al massimo l interazione utente-macchina C:\>copy C:\>copy a:avviso.txt a:avviso.txt annuncio2.txt annuncio2.txt le icone Lez. 13 11
Il concetto di processo Per un S.O. una qualsiasi attività elaborativa viene espletata come un insieme di unità di elaborazioni parziali dette processi (o task). Con il termine processo quindi si intende : la minima unità di lavoro che il S. O. predispone per la esecuzione e che possa individualmente richiedere l uso della CPU. In parole povere: Un processo non è altro che un programma,o una sua parte ( una sequenza di istruzioni con un inizio ed una fine), oggetto di esecuzione da parte della CPU. Lez. 13 12
Ad un processo sono associati degli stati di esistenza : Ready Running Waiting pronto per essere eseguito, ma non in esecuzione in quanto il processore non è disponibile (impegnato per altro processo) in esecuzione in attesa della disponibilità di una risorsa di I/O Fine I/O ready wait CPU disponibile running Attesa di I/O Lez. 13 13
Il Kernel (nucleo o Supervisore) Il cuore di un sistema operativo. Ha il compito di gestire l attribuzione delle risorse ai processi. Per le prerogative di gestione che gli spettano è necessariamente residente permanente in memoria centrale Un calcolatore senza lo strato Kernel è una macchina inerte Interviene tra l altro quando: -viene richiesta una interruzione ( es. un processo fa richiesta di I/O) -quando il canale di I/O termina le sue operazioni -quando un processo in running termina la sua esecuzione (inserimento o rimozione dalla coda di attesa - ready queue) -nella paginazione della memoria Lez. 13 14
Il S. O. e la gestione dei processi Monoprogrammato (monoprocesso). Il S.O. supporta la esecuzione di un unico programma alla volta. L esecuzione di un altro programma inizia solo al termine della esecuzione del programma precedente Tempo morto per la CPU (inattiva) CPU I/O Prog1 Prog1 Prog2 I/O Prog1 tempo I tempi di inattività cui è soggetta la CPU durante le operazioni di I/O sono significativi in considerazione della bassa velocità operativa delle apparecchiature di I/O rispetto alla CPU. Basso utilizzo della CPU Lez. 13 15
Il S. O. e la gestione dei processi Multiprogrammato(multiprocesso) Esistenza di piu programmi in memoria centrale in grado di condividere l uso della CPU e delle risorse dell elaboratore. In un dato intervallo di tempo più programmi avanzano nel sistema di elaborazione (ma uno solo alla volta, è possessore della CPU). Suole normalmente dirsi che in un certo istante più programmi sono aperti ovvero caricati in memoria centrale ed uno solo è attivo ovvero in esecuzione In ambiente Window è attivo il programma possessore del cursore Lez. 13 16
Prog1 Prog2 Prog3 Prog1 Prog1 CPU Prog2 I/O I/O Prog1 I/O Prog2 Prog3 tempo Memoria La modalità multiprogrammata tende a minimizzare, rispetto alla modalità monoprogrammata, i tempi di inattività cui è soggetta la CPU durante le operazioni di I/O. Il S.O. include un programma denominato caricatore per caricare in memoria centrale i programmi da eseguire Lez. 13 17
In un sistema multiprogrammato, per ottimizzare l utilizzo della CPU, è utilizzato il canale dati (un processorino) ovvero un dispositivo hardware che, su delega della CPU, sovrintende e controlla la trasmissione dei dati tra la memoria centrale ed i dispositivi di I/O, sollevando la CPU da tale compito. Memoria bus CPU Canale dati Dispositivo input Dispositivo output Lez. 13 18
Scheduler Componente software del Kernel selezionatrice dalla coda dei processi ready il prossimo processo a cui assegnare l utilizzo della CPU La strategia di gestione della ready code è realizzata mediante gli algoritmi di scheduling Gli algoritmi di scheduler si classificano in due categorie: -Senza prelazione: la CPU rimane assegnata al processo running fino a che esso non si sospende volontariamente (I/O o termina) -Con prelazione :Il processo running è forzato in coda wait dal S.O. che assegna la CPU ad altro processo. Lez. 13 19
Altro fattore caratterizzante uno scheduling è la tipologia dei processi che possono essere: -CPU-bound :hanno lunghi periodi di elaborazione fra due richieste successive di I/O -I/O bound : hanno brevi periodi di elaborazione fra due richieste successive di I/O. E conveniente privilegiare gli I/O bound Lez. 13 20
Parametri caratteristici della schedulazione Utlizzo del processore: Riduzione massima dei tempi di CPU inutilizzata Massimizzato Produttività (Througput) Numero processi terminati in una determinata unità di tempo Tempo di completamento (Turnaround): Tempo fra sottomissione e completamento di un processo nel sistema Tempo di attesa: Tempo permanenza del processo In coda ready Massimizzato Minimizzato Tempo risposta Tempo fra sottomissione del processo e ottenimento prima risposta Minimizzato Minimizzato Lez. 13 21
Il S.O. e la gestione della memoria Il gestore della memoria è il componente del S. O che si occupa di allocare/deallocare i processi in/dalla memoria centrale Tecniche di gestione paginazione e segmentazione codice e dati di un processo integralmente contenuti in memoria centrale memoria virtuale codice e dati di un processo solo in parte contenuti in memoria centrale Lez. 13 22
Il S.O. e la memoria Il S. O. è sempre residente in memoria centrale (solitamente allocato in uno spazio denominato memoria alta). Include, tra gli altri, un programma denominato caricatore per caricare in memoria centrale i programmi da eseguire Memoria S.O. Area Programma monoprogrammato Memoria S.O. Area Programma1 Area Programma2 multiprogrammato Area ProgrammaN Lez. 13 23
Memoria svantaggi S.O. Area Programma monoprogrammato 1 solo solo programma residente in in memoria Tecnica di gestione della memoria detta a due partizioni Una Una parte della della partizione programma potrebbe essere inutilizzata (dimensione del del programma < dimensione della della partizione) Programma di di dimensioni eccedenti la la partizione non non caricabile in in memoria Necessarie tecniche di overlay, (suddividere il programma in parti fra loro indipendenti, ciascuna caricata all occorrenza come programma a se stante. Comunicazione fra le varie parti tramite la definizione di un area comune Lez. 13 24
La segmentazione Memoria S.O. Area Programma1 Area Programma2 Allocazione basata sulla suddivisione della memoria in più partizioni ( segmenti) Per una corretta gestione occorre: conoscere, in ogni momento, lo stato di ogni partizione (libera o occupata); multiprogrammato Area ProgrammaN provvedere ad una protezione delle singole partizioni, in modo da evitare invasioni involontarie in altre partizioni.(indirizzo primo e indirizzo ultimo della partizione) La La tecnica tecnica di di allocazioni a a partizioni multiple multiple può può essere essere implementata in in due due versioni versioni differenti: statica staticae e dinamica. statica la memoria è divisa in partizioni fisse. dinamica ogni volta che un programma deve essere caricato in memoria, sarà direttamente il S.O. a creare, la partizione dimensionandola opportunamente. Lez. 13 25
Il maggior problema della allocazione a partizioni è dovuto alla possibile frammentazione della memoria, cioè alla creazione di aree inutilizzabili di memoria sparse tra le partizioni occupate. S.O. 100 k. k. 200 k 50 50 k In attesa programma da da 300 K Termina programma da 200 k Programma da 300 k non ha ancora spazio sufficiente S.O. 100 k. k. inutilizzato 50 50 k Lez. 13 26
La paginazione una soluzione al problema della frammentazione della memoria; rappresenta la tecnica di base maggiormente utilizzata negli attuali sistemi di elaborazione Lo Lo spazio degli degli indirizzi di di ogni ogni programma è suddiviso in in parti parti uguali (pagine) normalmente di di 4K 4K e parallelamente la la memoria fisica è suddivisa in in blocchi (frame) della della medesima dimensione Le pagine di un programma vengono allocate in frame non contigui P1 P2 P1 P2 P2 P1 In entrambe le tecniche il mappaggio fra gli indirizzi logici del processo e quelli fisici di memoria avviene dinamicamente alla esecuzione a cura di un dispositivo hardware dedicato (MMU-Memory Management Unit ) che sulla base di una propria tabella di gestione converte gli indirizzi logici di pagina in indirizzi fisici del frame Lez. 13 27
La memoria virtuale Tecnica associata sia alla paginazione che alla segmentazione Basata sul fondamento che un programma per essere eseguito non deve esistere in memoria nella sua completezza (non tutte le pagine caricate in contemporanea in memoria centrale La completa paginazione dei programmi da eseguire non risiede in memoria centrale, bensì sulla memoria di massa e solo alcune pagine sono attualmente caricate in memoria centrale Quando nella esecuzione di un processo si fa riferimento ad una pagina non presente in memoria centrale (caricata) si genera una interruzione (page fault) e il Supervisore provvederà a : effettuare l arresto della esecuzione del processo caricare la pagina in memoria centrale riprendere l esecuzione Swap out Swap in Lez. 13 28
Lo swap in richiede necessariamente una attività di swap out (recupero spazi di memoria centrale) Due tecniche: Swap forzato Swap programmato Le pagine vengono periodicamente scaricate a partire da quelle non usate da maggior tempo. Lez. 13 29
Il S.O. e l utenza monoutente multiutente Gestione di N utenti in contemporanea.il S.O. fornisce a ciascun utente l astrazione di un sistema dedicato DOS Monoutente - Monoprogrammato UNIX Multiutente - Multiprogrammato WINDOW95 Monoutente - Multiprogrammato WINDOWNT Multiutente - Multiprogrammato Window2000 Multiutente - Multiprogrammato Lez. 13 30
Le Modalità di elaborazione di un S.O. monoprogrammato batch interattiva multiprogrammato batch interattiva time sharing real time Lez. 13 31
Le Modalità di elaborazione di un S.O. monoprogrammato batch interattiva multiprogrammato batch interattiva time sharing real time Lez. 13 32
Modalità batch I lavori (job) vengono immesi nel sistema raggruppati a lotti. Il batch monoprogrammato si sviluppa in forma rigidamente sequenziale (un programma dopo l altro) mentre nel batch multiprogrammato più lavori del lotto si sviluppano in concorrenza secondo la strategia adottata dal S.O. per lo sfruttamento ottimale delle risorse hardware in modo da aumentare il throughput del sistema, ossia il numero di lavori eseguiti per unità di tempo. Richiede: per ogni job la dichiarazione esplicita di tutte le risorse necessarie. (JCL Job Control Language) assortimento nel lotto di lavori CPU bond e lavori I/O bound Fa largo uso della tecnica dello spooling Lez. 13 33
Modalità interattiva (o conversazionale) I lavori interattivi sono suddivisi in tante piccole elaborazioni o transazioni; l utente interviene in forma colloquiale con il computer fornendogli dati e ricevendo elaborazioni in ogni transazione E quella oggi prevista dalla maggioranza dei S.O. su PC o su sistemi di grande dimensione. (sistemi di prenotazioni aerei o ferroviari) Lez. 13 34
Modalità time sharing (a divisione di tempo) effetto simulato: servire in contemporanea una pluralità di utenti dare ad ogni utente la sensazione di disporre dell intero sistema (essere servito immediatamente) effetto reale: serve una pluralità di utenti definisce un quanto di tempo T (time slice)di utilizzo del sistema per ogni utente dedica ciclicamente ad ogni utente, per il tempo T tutte le risorse Se N sono gli utenti connessi, l utente servito al tempo T 0,sarà riservito al tempo T 0 +N*T La base della simulazione: Le basse velocità operative dell utente rispetto al Sistema Operativo Lez. 13 35
Modalità real time (a divisione di tempo) E fondamentale il tempo di risposta ( tempo intercorrente dal momento in cui l'utente chiede una risposta al sistema e la risposta stessa) E opportuno distinguere due classi fondamentali di applicazione: applicazioni per controllo di processo, in cui è richiesto che il tempo di risposta non superi un valore limite assegnato ( applicazioni di tipo gestionale, nelle quali è prefissato un valore medio del tempo di risposta (in realtà si richiede un tempo ragionevole di risposta) Lez. 13 36
Spoll Simultaneus Periferal Operation On Line Molte periferiche sono lentissime (rispetto all UC) Molte periferiche sono condivise Spool-IN periferica memoria di massa Spool-OUT memoria di massa periferica Esempio: Stampante condivisa fra più postazioni. Se nello stesso istante tutte le postazioni lanciassero una attività di stampa Stampa con promiscuità di informazioni provenienti dalle diverse postazioni La soluzione: Tutta la stampa di ogni postazione viene memorizzata su memoria di massa in un file personalizzato alla postazione Lez. 13 37
Le stampe fisiche avverrano in sequenza (prelevando le informazioni dal supporto disco). Stampa post. 1 Stampa post. 3 Stampa post. 2 Stampa post. 1 Stampa post. 2 Stampa post. 3 Spool server Lez. 13 38
File e cartelle File system Software di utilità Il S.O. e le periferiche Il S.O. e la memoria Lez. 13 39
File Una sequenza di byte che rappresenta una informazione omogenea E l unità logica di memorizzazione sui dispositivi di massa. file1 file2 file3 Inizio1 EOF1 Inizio2 EOF2 Inizio3 EOF3 Un Un programma programma Un Un disegno disegno Un Un grafico grafico Una Una relazione relazione Un Un filmato filmato Una Una immagine immagine Un Un brano brano musicale musicale Una Una foto foto Nome Data creazione Tipologia protezioni Ogni file si caratterizza per gli attributi: Supporto di allocazione Software generatore Data ultimo accesso Dimensione. Lez. 13. 40
Il nome di un file identificatore. estensione identifica il formato del file (.bmp,.gif, formati grafici) o il pacchetto generatore foto.gif verbale.doc stipendi.xls lettera.txt Il S. O. vede ogni file come un blocco monolitico (non può trattare solo ½ file o parti di esso) al contrario dei software applicativi la cui operatività è applicabile a parti del file (es. un Word Processor) Le Operazioni del S. O. sui file Generazione Cancellazione Duplicazione Ridenominazione Fusione di file Trasmissione Ricerca Movimentazione Lez. 13 41
L enorme quantità di informazioni che un elaboratore memorizza su supporti esterni (oggi gli hard disk sono dell ordine dei Gbyte) richiede una valida metodolgia di archiviazione dei files tale da consentirne massima faciltà di trattamento e reperimento File system Termine che intende sia il modulo (programma) del S.O. che cura tale metodologia di archiviazione sia la struttura logica (architettura)che tale metodologia applica sui supporti esterni per la memorizzazione dei file. Lez. 13 42
Prerogative del file system software: fornire un meccanismo per identificare i files (corrispondenza al nome logico utilizzato dall utente della reale allocazione fisica sul supporto) Fornire meccanismi di protezione (chi e come può accedere ad un file) Fornire meccanismi di recupero spazio fisico (cancellazioni file) Rendere trasparente all utente la struttura fisica del supporto Prerogative del file system quale architettura: Basata su una struttura di tipo gerarchica (ad albero) individuata da directory, sottodirectory e files Directory ( Cartella o Folder) Un file particolare contenenente esclusivamente i riferimenti a file e sottocartelle di sua appartenenza La cartella di livello più alta, la root, esprime l intero supporto di massa Lez. 13 43
cartella Root cartella-1 cartella-2 cartella-3 filea fileb filec Individuazione di un file: attraverso il path filea filek filea di cartella-1, filea di cartella-2, filea di cartella-4 sono entità distinte cartella-4 filea cartella-5 filet filem cartella-6 nodi cartelle foglie file rami appartenenza Lez. 13 44
I permessi di accesso Il file system fornisce all utente dei meccanismi (permessi) per proteggere i file (e le cartelle) da accessi indesiderati CHI (utente) COSA PUÒ FARE (permesso) File CHI proprietario gruppo altri Cosa può fare Tutto (RWX) Solo lettura(r) Solo aggiornamento (W) Solo esecuzione (X) Niente Utilizzo di password Lez. 13 45
Software di utilità La parte del software di base che fornisce all utente un insieme di servizi per la gestione della macchina e delle sue unità definizione dei parametri per le impostazioni del sistema (es. definizione di data e ora) gestione dei dischi (formattazione, recupero dei file eliminati programmi di diagnostica (segnalazioni di malfunzionamento hardware e software; antivirus programmi di manutenzione dei dischi (deframmentazione, backup, scandisk, eliminazione file temporanei, ) Lez. 13 46
Formattazione N-1 Traccia N Traccia Settore Ogni traccia si compone di M settori Il settore è l unità base di registrazione sul supporto (capacità K byte) FAT (Table of allocation) traccia 0 Deframmentazione Programma1 Programma2 Programma1 Programma2 Lez. 13 47
Il S.O. e le periferiche Un calcolatore è accessoriato con molti dispositivi hw spesso di etichette costruttrici diverse. Il S.O. deve sapere in che modo può interagire con esse L interfacciamento avviene tramite i driver :programmi che permettono al S.O. di utilizzare l'hardware di un dispositivo (non solo esterno ma anche interno come l'hd, la scheda audio, video) senza sapere come esso funzioni, ma dialogandoci attraverso la sua interfaccia Il driver traduce i comandi ad alto livello invocati dal S.O., nel linguaggio comprensibile dalla periferica stessa. Ad esempio, se il S.O. richiede di disegnare un rettangolo rosso nel centro dello schermo, è il driver che si preoccupa di comunicare alla scheda video, in modo comprensibile, cosa è stato richiesto. Lez. 13 48
Il download di software dalla rete Molto software, S. O. compresi, è direttamente scaricabile dalla rete (servizio ftp file transfer control) Nel mondo esistono migliaia di siti FTP (solitamente computer appartenenti ad Università, Enti Pubblici, ) nei quali l utente remoto ha ampia possibilità di trovare risorse software di sua necessità Tipologia del software disponibile sui siti ftp Freeware Shareware Pubblico dominio Lez. 13 49
Freeware Etichetta software scaricabile liberamente dalla rete sul proprio PC e liberamente distribuito ed utilizzato È coperto dal diritto d'autore( non modificabile senza autorizzazione) Es. compilatori di linguaggio (DevC++) Shareware Etichetta il software (protetto dai diritti d'autore) distribuito secondo una modalità "a tempo" Funziona per un periodo di prova (tempo di valutazione), al termine del quale occorre formalizzare l acquisto Pubblico dominio non coperto dal diritto di autore scaricabile liberamente dalla rete utilizzabile, senza alcuna forma di compenso all autore, anche per fini di lucro. Il codice sorgente viene distribuito dagli autori e può essere modificato Lez. e adattato 13 50
Pubblico dominio non coperto dal diritto di autore scaricabile liberamente dalla rete utilizzabile, senza alcuna forma di compenso all autore, anche per fini di lucro. Il codice sorgente viene distribuito dagli autori e può essere modificato e adattato Lez. 13 51