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Sistema operativoSistema operativo
Insieme di programmi per la gestione del funzionamento del computer.
Interfaccia tra utente e hardware, ambiente per l’esecuzione dei programmi.
Un sistema operativo viene caricato nella memoria RAM all’accensione della macchina (programma di boot) e rimane attivo fino allo spegnimento.
Sistema operativoSistema operativo
Il sistema operativo:• è un insieme di moduli software;• controlla le risorse hardware del sistema;• mette a disposizione dell’utente una macchina
virtuale, in grado di eseguire comandi dati dall’utente, utilizzando la macchina “reale”.
Sistema operativoSistema operativo Il sistema operativo:presenta all’utente una macchina
virtuale che nasconde tutti i dettagli hardware che sarebbero troppo complicati da gestire per la maggior parte degli utenti.
Sistema operativoSistema operativo Le richieste dell'utente al SO,
fatte digitando dei comandi nelle interfacce a carattere (Character User Interface) o selezionando oggetti con il mouse nelle interfacce grafiche (Graphic User Interface), sono intercettate dall'interprete dei comandi (shell), il quale attiva i moduli programma che agiscono nei componenti del nucleo (kernel). Questi attivano i dispositivi hardware quali il processore, la memoria, i controller di I/O, ecc., che svolgono la richiesta dell'utente.
Sistema operativoSistema operativo
E’ uno strato software cheopera direttamentesull’hardware
Isola gli utenti dai dettaglidell’hardware
E’ organizzato a strati:• Architettura a buccia di
cipolla
• Ogni strato costituisceuna macchina virtuale
Programmi utente
Interprete comandiattivazione programmi d’utente o di sistema
File systemcontrollo e gestione degli accessi a file
Gestione delle periferichegestione di ingresso/uscita da periferica
Gestione della memoriaallocazione e gestione della memoria
Gestione dei processi (nucleo)gestione dei processi e delle interruzioni
Macchina fisica
Kernel
Funzioni del sistema operativoFunzioni del sistema operativo Il gestore dei processi (o nucleo) è responsabile
dell’esecuzione dei programmi da parte dell’unità di elaborazione
Il gestore della memoria ha la funzione di allocare la memoria e partizionarla tra i vari programmi
I driver sono responsabili delle operazioni di ingresso/uscita che coinvolgono le periferiche
Il file system è responsabile della gestione dei file in memoria di massa
L’interprete comandi consente all’utente di attivare i programmi
Gestione dei processiGestione dei processi Funzioni:
• Interazione diretta con l’Hardware
• Esecuzione dei programmi come processi
Gestione dei processiGestione dei processi Un processo e’ correlato alla esecuzione di un
programma Definizione:
• Un processo P e’ una coppia di elementi (E, S) che comprende il codice eseguibile E del programma e lo stato S del processo
Un programma puo’ essere associato a piu’ processi:• Un programma puo’ essere scomposto in varie parti e ognuna
di esse puo’ essere associata ad un processo separato
• Un programma puo’ essere associato a vari processi quando diverse copie del processo sono eseguite
Un calcolatore puo’ avere piu’ processori (un processore e’ un unita’ di elaborazione che esegue i processi)
Gestione dei processiGestione dei processi I processi hanno sempre aree dati disgiunte (sebbene possano,
a richiesta, condividere parte dei dati oppure scambiarsi dei messaggi).
Codice eseguibiledel programma P
Dati sui cui agisceil programma P
Altri processi
Memoria centrale
ProcessoP1
Codice eseguibiledel programma P
Dati sui cui agisceil programma P
Memoria centrale
ProcessoP1
Codice eseguibiledel programma P
Dati sui cui agisceil programma P
ProcessoP2
Codice eseguibiledel programma Q
Dati sui cui agisceil programma Q
ProcessoQ1
Gli stati di un processoGli stati di un processo Nuovo: il processo viene
creato In esecuzione: assegnato al
processore ed eseguito da esso
Pronto: può andare in esecuzione, se il gestore dei processi lo decide
In attesa: attende il verificarsi di un evento esterno per andare in stato di pronto
Terminato: il processo ha terminato l’esecuzione, ma non è stato ancora fisicamente cancellato dalla memoria centrale.
Processo in esecuzione
Processopronto
Processo in attesa
Inizio esecuzione
Primo processopronto
- Fine quanto di tempo- Interruzione esterna
Interruzione interna
Evento esterno atteso
- Fine esecuzione- Abort per errore
Gli stati di un processoGli stati di un processo
I processi appena creati si mettono in stato di pronto Il kernel (nucleo) decide quale processo pronto
eseguire (mettere in stato di esecuzione) Il kernel assegna il processore ad un processo per un
intervallo (quanto) di tempo L’assegnazione di un processo al processore tiene
conto della coda dei processi pronti, della priorita’ dei processi e della politica round-robin
Gli stati di un processoGli stati di un processo Un processo in esecuzione passa in stato di attesa se:
• Richiede operazioni di I/O (interruzione interna) e per non lasciare il sistema inattivo, il processo attivo viene interrotto e posto in stato di attesa
• Si verificano richieste di interruzioni esterne • Se il tempo allocato al processo e’ scaduto (); il processore cerca
di garantire un uso equo della CPU a tutti i processi; il nucleo interrompe l’esecuzione del processo attivo per non penalizzare gli altri processi esistenti; quando il processo torna in stato attivo prosegue con l’elaborazione dell’istruzione successiva a quella su cui era stato precedentemente interrotto
• al termine delle propria esecuzione ed è rimosso dall’elenco dei processi esistenti
Quando un processo viene interrotto si verifica un cambiamento di contesto: si salva il contesto del processo appena interrotto nel suo descrittore di processo, dopodiche’ il processore diventa libero e un altro processo pronto pasa in esecuzione
Gli stati di un processoGli stati di un processo Quando un processo richiede un’operazione di I/O
esso passa dalla stato in esecuzione allo stato in attesa Quando l’operazione di I/O finisce, viene generato
un’interruzione esterna e quindi il processo in esecuzione viene interrotto e quindi passa dallo stato di esecuzione allo stato pronto
Il kernel esegue il gestore delle interruzioni per risolvere l’interruzione
In processo in attesa del I/O diventa pronto
Gli stati di un processoGli stati di un processo Quando un processo viene fatto transitare di stato, si dice
che avviene una commutazione di contesto (context switch).
nuovo
pronto attivo
terminato
sospeso
ammesso
avviato
interrotto
attesa di un eventocompletamento di un evento
espulso
Cambiamento di contestoCambiamento di contesto Contesto: insieme delle informazioni che
caratterizzano lo stato di un processo Se il processo è fisicamente in esecuzione parte del
contesto si trova nei registri della CPU (Program Counter, registri utente)
Se il processo non è in esecuzione il contesto è in memoria.
Cambiamento di contesto: operazione che avviene quando il sistema operativo decide di mandare in esecuzione un altro processo
Il sistema operativo deve salvare tutte le informazioni necessarie a ripristinare esattamente lo stato del processo in esecuzione nel futuro.
Sistema operativoSistema operativo Per descrivere gli stati del
processo e per gestire le commutazioni di contesto subite dal processo, al processo va associata un’opportuna struttura dati, chiamata area dati di nucleo (process control block).
L’area dati di nucleo del processo è creata e gestita direttamente dal sistema operativo; non è direttamente visibile da parte del processo.
Parametri dell’area dati di nucleo
Stato del processo: nuovo, pronto, attivo, sospeso, terminato.
Contatore di programma: l’indirizzo della prima istruzione daeseguire, quando il processo entra in stato attivo.
Numero del processo, o PID: identificatore univoco del processo.
Registri del processore: tutti i registri (general e special purpose) delprocessore, da ripristinare nel processore quando il processo entra instato attivo.
Informazioni di scheduling del processore: priorità del processo,puntatori alle code di scheduling, parametri di scheduling, ecc.
Informazioni di gestione della memoria: registri base e limite dellospazio di memoria assegnato al processo, tabelle delle pagine o deisegmenti di memoria di proprietà del processo, ecc.
Informazioni contabili: tempo di processore e tempo reale di utilizzodel processore, limiti di tempo, ecc.
Informazioni di I/O: elenco delle periferiche assegnate al processo,elenco dei descrittori di file aperti da parte del processo, ecc.
Esempio di commutazione di contestoEsempio di commutazione di contesto
salva lo stato in ADN1
ripristina lo stato da ADN2
salva lo stato in ADN2
ripristina lo stato da ADN1
in esecuzione
inattivo
in esecuzione
inattivo
in esecuzione
inattivo
sistema operativoprocesso P1 processo P2
interruzione o chiamata di sistema
interruzione o chiamata di sistema
Classificazione dei SOClassificazione dei SO In base alla modalita’ di gestione dei programmi:
• Monoprogrammazione (esegue un solo programma alla volta)
• Multiprogrammazione (esegue piu’ programmi apparentemente conteporaneamente, in realta’ in time-sharing, suddividendo il tempo di esecuzione in intervalli molto piccoli e assegnando a turno le risorse ai diversi programmi)
In base al tipo di accesso fornito agli utenti:• Monoutente (un solo utente puo’ usare la macchina)
• Multiutente (piu’ utenti possono contemporaneamente interagire con la stessa macchina)
Classificazione dei SOClassificazione dei SO I concetti di mono e multi-programmazione sono
indipendenti sa quelli di SO mono e multi-utente I SO attuali operano tutti in multiprogrammazione Windows nasce come sistema monoutente, anche se
le versioni evolute (NT, 2000, XP) hanno alcune funzioni che possono essere utilizzate in modo concorrente da piu’ utenti contemporaneamente
UNIX e’ un sistema multiutente che opera in multiprogrammazione
Classificazione dei SOClassificazione dei SO
In base al tipo di schell utilizzato:• Shell alfanumerici (MS-DOS, UNIX, …) i comandi
vengono inseriti come stringhe di caratteri e impartiti tramite la tastiera
• Shell grafici - Graphic User Interface (GUI) i comandi e gli oggetti vengono rappresentati in modo grafico e possono essere impartiti, eseguiti o manipolati attraverso l’uso congiunto di mouse e tastiera
Sistema operativoSistema operativo Quando si parla di multiprogrammazione si parla
anche di time‑sharing: il sistema operativo che fa sì che le risorse del calcolatore siano assegnate per prefissati intervalli di tempo, in successione, ai diversi programmi: gli intervalli di tempo possono essere più o meno lunghi l’uno rispetto all’altro, a seconda della priorità di cui gode il programma che l'utente utilizza, ma comunque sono di brevissima durata.
Sistema operativo in time sharingSistema operativo in time sharing Permette la condivisione della CPU tra più processi Ogni processo in esecuzione ha a disposizione un quanto di
tempo di utilizzo della CPU, al termine del quale viene sospeso per lasciare il posto ad un altro processo in attesa di esecuzione.
Sistema operativo - schedulingSistema operativo - scheduling
In un sistema con un singolo processore e più processi non èpossibile avere più di un processo attivo in ogni istante di tempo.
E’ necessario eseguire i processi a intervalli (quanti di tempo) eprevedere un sistema di riordinamento (scheduling) delle loroesecuzioni, che assegni loro tempo di esecuzione in modo equo.
I processi vengono fatti avanzare a turno, assegnando loro un quantodi tempo per portarsi avanti nell’esecuzione.
Si ottiene lo scheduling dei processi mediante una (o anche più diuna) coda di scheduling, in cui vengono inseriti i processi che devonoessere fatti aspettare.
Sistema operativo e macchine virtualiSistema operativo e macchine virtuali In una macchina multiprogrammata il sistema operativo
gestisce più processi contemporaneamente, rendendo visibile ad ogni processo una macchina “virtuale” ad esso interamente dedicata e quindi con risorse proprie.
Sistema operativo e macchine realiSistema operativo e macchine reali
Sistema operativoSistema operativo Lo schedulatore (scheduler) è la componente del sistema
operativo che si occupa di spostare i processi tra le varie code di attesa.
coda dei processiin stato pronto CPU
richiesta di I/Ocoda di I/OI/O
quanto di tempo esaurito
fork di unprocesso figlio
processo figlioin esecuzione
fine esecuzioneprocesso figlio
attesa diun’interruzione
arrivo del-l’interruzione
Sincronizzazione dei processiSincronizzazione dei processi
A volte, i processi devono sincronizzarsi, ovvero coordinare le loro attività
Il coordinamento sequenziale: un processo termina invocando l’attivazione di un altro processo
La competizione: due processi vogliono accedere simultaneamente a una medesima risorsa (risorsa critica)
Gestione della memoria centraleGestione della memoria centrale Il sistema operativo permette l’esecuzione
contemporanea di più processi e tutti i processi pronti dovrebbero avere tutto il programma o almeno le prossime istruzioni caricate nella memoria.
Se lo spazio totale occupato dai processi supera la dimensione della memoria centrale, non tutti i processi possono risiedere per intero nella memoria centrale
Normalmente la quantità di memoria non è sufficiente a contenere tutti le istruzioni e tutti i dati di tutti i processi gestiti.
Gestione della memoria centraleGestione della memoria centrale
La memoria deve essere gestita con molta attenzione ed efficienza caricando solo i dati e le istruzioni che devono essere modificate ed eseguite. Le altre parti devono essere spostate sul disco per poter essere caricate quando necessario.
La memoria virtuale e’ un sistema per aumentare lo spazio di memoria disponibile
Gestione della memoria centraleGestione della memoria centrale Partizionamento della memoria e del suo spazio di indirizzi. Tecniche di partizionamento:
• Segmentazione: suddivide la memoria centrale in segmenti di lunghezza variabili contenenti parti di un programma logicamente correlati tra di loro
• Paginazione: suddivide memoria e programmi in pagine di lunghezza fissa; i programmi vengono caricati in memoria anche in pagine non contigue
NON sono tecniche alternative. Spesso sono applicate contemporaneamente
Sia nel caso della partizione, sia in quello della segmentazione, il gestore della memoria offre al programma applicativo la visione di una memoria virtuale
Gestione della memoria centraleGestione della memoria centrale Ad ogni processo viene assegnata nella fase di partenza una
tabella detta tabella delle pagine dove per ogni pagina usata dal processo viene scritto dove si trova la pagina fisica.
La memoria virtuale è maggiore di quella fisica La gestione della memoria è coordinata con la gestione dei
processi
File System – il gestore dei fileFile System – il gestore dei file Un file è un insieme di dati omogenei fra loro e raggruppati ai
fini di archiviazione, di successiva elaborazione o di esecuzione. Possono contenere dati (file dati), programmi in linguaggio
macchina (file eseguibili) o sequenze di comandi del sistema operativo (script o file batch).
Un sistema operativo fornisce dei formati standard con cui organizzare i dati nella memoria di massa e i comandi per manipolare i file (file system).
Ogni file è caratterizzato da un nome e da una estensione, che serve ad identificarne il tipo.
Es. i file eseguibili sotto MSDOS/Windows hanno estensione .EXE, quindi il file prova.exe è un file che contiene codice direttamente eseguibile dalla CPU.
File System – il gestore dei fileFile System – il gestore dei file
L'oggetto elementare su cui opera il file system è il FILE, ossia una raccolta di dati registrati su memoria di massa (il file è visto dal SO come una sequenza di byte)
Tipi di file:
• testo (ASCII): una sequenza di caratteri, ad esempio un programma sorgente (es. in linguaggio C) o un editor di testo semplice
• binari: una sequenza di byte
• eseguibili (programmi) e non eseguibili (es. immagini, documenti creati con word processor)
File System – il gestore dei fileFile System – il gestore dei file Sul disco rigido i file sono organizzati in modo gerarchico e
possono essere inseriti in opportuni “contenitori” (cartelle o directory: sono anch’essi file! Una directory contiene una lista dei nomi e attributi dei file e directory al suo interno).
Il disco può essere considerato come un archivio che contiene varie cartelle. Ogni cartella contiene documenti (file) o altre cartelle, che a loro volta contengono file o cartelle, realizzando una struttura ad albero.
Ogni file è quindi identificato da un percorso, che rappresenta la sequenza delle cartelle che bisogna aprire per raggiungerlo.
File System – il gestore dei fileFile System – il gestore dei file
Il percorso di un file individua le directory che devono essere percorse per raggiungere quella che contiene il file.
Il percorso e il nome del file individuano l’oggetto e ne specificano la collocazione nella struttura gerarchica:
c:/Didat/esami/iscrmar.doc
File System – il gestore dei fileFile System – il gestore dei file Funzioni principali:
• Creazione di file
• Copiatura di file
• Spostamento (da una cartella ad un’altra) di file
• Ridenominazione di file
• Cancellazione di file
• Strutturazione dei dischi (e dei nastri) come insiemi di file.
• ...
Per ognuna di queste operazioni esiste un opportuno comando (interfaccia utente alfanumerica) o una azione corrispondente con mouse e tastiera (GUI).
Gestione delle perifericheGestione delle periferiche Funzioni principali:
• Indirizzamento dei segnali da e verso le periferiche• Sincronizzazione delle periferiche
Gestione del sistema di Ingresso/Uscita• Sistema di tamponamento dei flussi di dati (buffer-
caching).• Interfaccia generale per i programmi di controllo
(driver) delle periferiche (device).• Collezione di programmi di controllo (driver) specifici
per le varie periferiche (device) collegabili al calcolatore.
Driver - Gestione delle perifericheDriver - Gestione delle periferiche I driver sono meccanismi software cui è affidato il
compito di comunicare dati da e verso le periferiche Garantiscono ai programmi che li usano una visione
di alto livello• E’ possibile leggere o scrivere tramite primitive
indipendenti dalla struttura hardware delle periferiche Si distingue fra:
• Driver fisici (hardware). Vengono attivati direttamente dal gestore delle interruzioni
• Driver logici (software). Fanno parte del sistema operativo e forniscono una gerarchia di operazioni, con un’organizzazione a strati