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SommarioSommario
Il sistema operativoIl sistema operativoIntroduzioneIntroduzione
Scopo del sistema operativoScopo del sistema operativo
Funzioni del sistema Funzioni del sistema operativooperativo
Gestione dei processiGestione dei processi
Gestione della memoria Gestione della memoria centralecentrale
Gestione delle perifericheGestione delle periferiche
Gestione dei fileGestione dei file
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IntroduzioneIntroduzione
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IntroduzioneIntroduzione
Il software può essere diviso in due grandi classi:i programmi di sistemaprogrammi di sistema, che gestiscono le funzionalità del sistema di calcoloi programmi applicativiprogrammi applicativi, che risolvono i problemi degli utenti
L’insieme dei programmi di sistemaprogrammi di sistema viene comunemente identificato con il nome di Sistema OperativoSistema Operativo (SO)
DefinizioneDefinizioneUn sistema operativosistema operativo è un programma che controlla controlla l’esecuzione dei programmi applicativil’esecuzione dei programmi applicativi ed agisce come interfaccia fra le applicazioni e l’hardwareinterfaccia fra le applicazioni e l’hardware del calcolatore
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Scopo del sistema operativoScopo del sistema operativo
Gestione EFFICIENTE delle risorse del sistema di Gestione EFFICIENTE delle risorse del sistema di elaborazioneelaborazione
Creazione di un’interfaccia AGEVOLE tra l’uomo e la Creazione di un’interfaccia AGEVOLE tra l’uomo e la macchinamacchina
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Esempio: Esempio: Il SO come gestore risorse – 1Il SO come gestore risorse – 1
Si consideri un ristorante con un capo–cuoco (che dirige la cucina) ed i suoi aiutanti, camerieri e clienti:
I clienti scelgono un piatto dal menùUn cameriere prende l’ordine e lo consegna al capo–cuocoIl capo–cuoco riceve l’ordine e assegna uno o più aiutanti alla preparazione del piattoOgni aiutante si dedicherà alla preparazione di un piatto, il che potrà richiedere più attività diverseIl capo–cuoco supervisiona la preparazione dei piatti e gestisce le risorse (limitate) disponibili
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Esempio: Esempio: Il SO come gestore risorse – 2Il SO come gestore risorse – 2
Il capo–cuoco è il sistema operativo!Il capo–cuoco è il sistema operativo!
I clienti sono gli utentiLe ricette associate ai piatti sono i programmiIl menù ed il cameriere costituiscono l’interfaccia verso il sistema operativo (grafica e non)Gli aiutanti sono i processiLa cucina è il computer; pentole, fornelli, etc. sono le componenti hardware
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Esempio: Esempio: Il SO come gestore risorse – 3Il SO come gestore risorse – 3
Problemi del capo–cuoco:Esecuzione fedele delle ricetteAllocazione efficiente delle risorse esistenti (aiutanti, fornelli, ingredienti, etc.) Coordinamento efficiente degli aiutantiLicenziamento degli aiutanti che non si comportano secondo le regole
Problemi del sistema operativo:Efficienza nell’uso delle risorse (processori, memoria, dischi, etc.)Protezione nell’uso delle risorseCoordinamento dei processi
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Il SO come macchina estesa – 1Il SO come macchina estesa – 1
Visione a strati delle componenti hardware/software che compongo un elaboratore
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Il SO come macchina estesa – 2Il SO come macchina estesa – 2
Il SO può essere inteso come uno strumento che virtualizzavirtualizza le caratteristiche dell’hardware, offrendo all’utente la visione di una macchina astrattamacchina astratta più potente e più semplice da utilizzare di quella fisicamente disponibileIn questa visione, un SO…
…nasconde a programmatori/utenti i dettagli dell’hardware e fornisce un’interfaccia conveniente e facile da usare…agisce come intermediario tra programmatore/utente e hardware
Il S.O. fornisce quindi all’utente:Indipendenza dall’hardwareComodità d’usoProgrammabilità a diversi livelli
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Funzioni del Funzioni del sistema operativosistema operativo
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Il sistema operativo < 1Il sistema operativo < 1
Il SO rende totalmente disponibile all’utente l’hardware del calcolatore
Il sistema operativo sistema operativo è uno strato software che opera direttamente sull’hardware...
...isola gli utenti dall’architettura sottostante e fornisce un insieme di funzionalità di alto livello...permette lo svolgimento di operazioni quali la copia di un file o l’esecuzione di un programma; opera le azioni necessarie a caricare i programmi in memoria centrale, eseguirli, leggere e/o scrivere dati da/su memoria di massa e periferiche
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Il sistema operativo < 2Il sistema operativo < 2
Il SO può essere......monomonoutenteutente (tipicamente nei PC), se l’intero sistema hw/sw è dedicato ad un singolo utente...multimultiutenteutente, quando diversi utenti condividono lo stesso sistema hw/sw; il SO nasconde a ciascun utente la presenza degli altri, dando l’impressione che il sistema (unità di elaborazione, memoria, periferiche, etc.) gli sia interamente dedicato
Il SO è un insieme di programmi molto complesso ed articolato, soprattutto in contesto multiutentePer facilitarne il progetto, ed isolarne le varie componenti, il SO è organizzato per strati funzionalistrati funzionali, con una struttura cosiddetta “a cipolla”
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Il sistema operativo < 3Il sistema operativo < 3
Ciascuno strato funzionale realizza una macchina virtualemacchina virtuale, che maschera le caratteristiche della macchina hardware e offre all’utente un insieme di funzionalitàStruttura modulare: ciascun modulo esporta funzionalità verso l’esterno e mantiene al suo interno i propri meccanismi implementativi
Hardware
Sy
stems software
Applications software
Ogni macchina virtuale “sembra” più potente della corrispondente macchina fisica, perché offre ai suoi utenti l’illusione di una macchina dedicata
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Funzioni del sistema Funzioni del sistema operativo operativo
Macchina fisicaMacchina fisica
Allocazione e gestione della memoriaAllocazione e gestione della memoriaGestione della memoriaGestione della memoria
Gestione di ingresso/uscita da perifericaGestione di ingresso/uscita da perifericaGestione delle perifericheGestione delle periferiche
Controllo e gestione degli accessi a fileControllo e gestione degli accessi a fileFile systemFile system
Attivazione programmi utente o di sistemaAttivazione programmi utente o di sistemaInterprete dei comandiInterprete dei comandi
Gestione dei processi e degli interruptGestione dei processi e degli interruptGestione dei processiGestione dei processi
Programmi utenteProgrammi utente
Architettura a “cipolla” del sistema operativo; ciascuno
strato corrisponde ad una macchina
virtuale
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Gestore dei processiGestore dei processi
È responsabile dell’esecuzione dei programmi da parte dell’unità di elaborazione
In caso di SO multiutente, deve garantire l’esecuzione concorrente di processi multipli, decidendo a quale di essi assegnare l’accesso e l’uso dell’unità di elaborazione
Gestisce gli interrupt provenienti dalle periferiche
Lo strato del gestore dei processi offre agli strati Lo strato del gestore dei processi offre agli strati superiori una macchina virtuale in cui ciascun superiori una macchina virtuale in cui ciascun programma opera come se avesse a disposizione programma opera come se avesse a disposizione un’unità di elaborazione dedicataun’unità di elaborazione dedicata
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Gestore della memoriaGestore della memoria
Alloca la memoria e la ripartisce fra i vari programmi che la richiedono
Nei SO multiutente, è opportuno che molti programmi siano contemporaneamente presenti in memoria centrale, per ottenere un’esecuzione “simultanea”
Lo strato del gestore di memoria offre agli strati Lo strato del gestore di memoria offre agli strati superiori una macchina virtuale in cui ciascun superiori una macchina virtuale in cui ciascun programma opera come se avesse a disposizione una programma opera come se avesse a disposizione una memoria dedicatamemoria dedicata
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Sono responsabili delle operazioni di ingresso/uscita che coinvolgono le periferiche
Ciascun driver è un modulo software dedicato a “guidare” una periferica specifica: ne conosce (e ne occulta) le caratteristiche hardware
Lo strato del gestore delle periferiche offre all’utente Lo strato del gestore delle periferiche offre all’utente una versione astratta delle periferiche hardware; una versione astratta delle periferiche hardware; l’utente ha a disposizione un insieme di procedure l’utente ha a disposizione un insieme di procedure standard di alto livello per leggere/scrivere da/su standard di alto livello per leggere/scrivere da/su periferiche, che “percepisce” come dedicateperiferiche, che “percepisce” come dedicate
Driver di dispositivoDriver di dispositivo
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È responsabile della gestione dei filefile in memoria di massa; struttura i dati in file e li organizza in directorydirectory (cartelle nel linguaggio di MS WindowsMS Windows)
Fornisce all’utente un insieme di funzioni di alto livello per operare su file e directory, mascherando le operazioni realmente effettuate per allocare la memoria e per accedervi in lettura/scrittura
Tramite il file system, ciascun utente può organizzarsi la propria area di memoria e garantirne la protezione da accessi esterni
Consente la condivisione dei file
File systemFile system
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Consente all’utente di attivare i programmiAccede al programma, residente su memoria di massa, tramite il file systemAlloca memoria e vi carica il programma (tramite il gestore della memoria)Attiva il processo (sfruttando le funzionalità del nucleo)
Sfrutta l’organizzazione a strati del SO e può richiedere l’esecuzione di qualsiasi funzione implementata negli strati sottostanti
Interprete dei comandiInterprete dei comandi
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Ancora sul sistema operativo...Ancora sul sistema operativo...
I primi tre strati del SO, dedicati alla gestione dei processi, della memoria e delle periferiche, ne costituiscono il nucleonucleo, o kernelkernel
L’obiettivo del SO consiste nell’ottimizzare le prestazioni del sistema informatico, determinando le politiche migliori di gestione delle risorse sotto il suo controllo
Nei sistemi multiutente, ciascun utente risente della presenza degli altri in misura crescente con il carico complessivo del sistema, ovvero, al crescere del numero delle richieste di elaborazione, il sistema può diventare sovraccarico e fornire prestazioni percepibilmente scadenti
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La gestione della La gestione della memoriamemoria
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Gestione della memoria centrale Gestione della memoria centrale – 1– 1
La memoria centrale……è un “array” di byte indirizzabili singolarmente…è un deposito di dati facilmente accessibile e condiviso tra la CPU ed i dispositivi di I/O
Il SO è responsabile delle seguenti attività riguardanti la gestione della memoria principale:
Tenere traccia di quali parti della memoria sono usate e da chiDecidere quali processi caricare quando diventa disponibile spazio in memoriaAllocare e deallocare lo spazio di memoria quando necessario
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Gestione della memoria centrale Gestione della memoria centrale 2 2
Premessa indispensabile per la gestione concorrente di molti processi è la presenza di molti programmi in memoria centrale (multiprogrammazione)
La memoria centrale assume un ruolo simile all’unità di elaborazione: è una risorsa unica, spesso scarsa, da suddividere fra i vari processi/programmi
Per allocare i programmi in memoria centrale è necessario rilocarlirilocarli:
RilocareRilocare significa trasformare gli indirizzi logici, presenti nei programmi, in indirizzi fisici, corrispondenti alle locazioni di memoria dove il codice eseguibile viene effettivamente caricatoD’altra parte, l’uso di indirizzi logici nei programmi è essenziale per consentirne il caricamento in differenti porzioni di memoria
ProblemaProblema: come allocare lo spazio in maniera ottimale
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Programma AProgramma A
Programma BProgramma B
Programma CProgramma C
Memoria0000x
Allocazione a partizioni multipleAllocazione a partizioni multiple
Programma AProgramma A
Programma EProgramma E
Memoria0000x
Programma DProgramma D
Programma CProgramma C
Istante T1 Istante T2
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Programma AProgramma A
Programma EProgramma E
Memoria0000x
Programma DProgramma D
Programma CProgramma C
Programma FProgramma F
PROBLEMA !!!!PROBLEMA !!!!
FRAMMENTAZIONFRAMMENTAZIONEE
Allocazione a partizioni multipleAllocazione a partizioni multiple
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PaginazionePaginazione
La memoria centrale è considerata dal gestore della memoria come partizionata in pagine, ciascuna delle quali è un’area di memoria contigua, di dimensione prefissataAnche i programmi vengono partizionati in pagine ed allocati in un numero intero di pagine, non necessariamente contigue
Un importante meccanismo di “suddivisione” della memoria centrale, e delle entità in essa memorizzate, è quello della paginazionepaginazione:
Tabella di mappa di pagina
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Tabella di mappa di pagina
Compito della Tabella di mappa di pagina è: - mettere in relazione le pagine di un programma e i blocchi di memoria - consentire al Sistema Operativo di sapere quali pagine sono realmente
presenti in memoria e in quali blocchi sono memorizzate (paginazione dinamica)
- generare un’interruzione quando un lavoro vuole accedere ad un indirizzo contenuto in una pagina non presente in memoria e quindi richiedere al Sistema Operativo di caricarla dal disco in memoria. 1) Se vi sono blocchi liberi, questa operazione consisterà nell'aggiornamento della tabella di mappa e nel caricamento effettivo nel blocco prescelto. 2) Se invece non vi sono blocchi disponibili, occorrerà scegliere tra le pagine presenti in memoria quale riportare sul disco, liberando così il relativo blocco di memoria.
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Programma DProgramma D
Memoria
0000x Programma AProgramma A
Programma AProgramma A
Programma AProgramma A
Programma BProgramma B
Programma BProgramma B
Soluzione: PaginazioneSoluzione: Paginazione
Memoria
0000x Programma AProgramma A
Programma AProgramma A
Programma AProgramma A
Programma DProgramma D
Programma EProgramma E
Programma FProgramma F
Programma FProgramma F
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SegmentazioneSegmentazione
Il gestore della memoria può utilizzare il partizionamento logico del programma per caricare segmenti di lunghezza variabile in maniera indipendente
NB:NB: Mentre le pagine hanno lunghezza fissa, i segmenti, essendo logicamente suddivisi, hanno lunghezza variabile
1
3
2
4
1
4
2
3
Spazio utente (Programma)Spazio utente (Programma) Spazio fisico di memoriaSpazio fisico di memoria
Segmento: parte di un programma che svolge una
determinata funzione logica. (funzioni, array, ecc)
Segmenti logiciSegmenti fisici
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La Segmentazione
Definiamo segmento un insieme di istruzioni considerate come una unità logica ad esempio una routine, un array, un'area dati ecc.Uno spazio degli indirizzi di un programma si può quindi pensare composto da diversi segmenti di dimensioni variabili, ciascuno dei quali viene caricato in memoria all'occorrenza e collegato al resto del programma in modo dinamico (paginazione dinamica) ed utilizzato per l'esecuzione.
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Paginazione e Segmentazione
• Paginazione– la divisione in pagine eseguita dal S.O. – le pagine hanno dimensione fissa– le pagine possono contenere informazioni disomogenee (ad
es. sia codice sia dati)– una pagina ha un indirizzo di memoria– dimensione tipica della pagina: 4 KB
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Segmentazione e Paginazione
Segmentazione
– la divisione in segmenti spetta al programmatore.
– i segmenti hanno dimensione variabile
– un segmento contiene informazioni omogenee per tipo di accesso e permessi di condivisione (insieme di istruzioni)
– un segmento ha un nome.
– dimensione tipica di un segmento: 64KB - 1MB
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Segmentazione e paginazione non sono mutuamente esclusive: in molti SO vengono applicate contemporaneamente
In entrambi i casi, il gestore della memoria offre al programma applicativo la visione di una memoria memoria virtualevirtuale, che può essere maggiore di quella fisica
Si possono gestire programmi caricandone effettivamente in memoria solo le pagine (o i segmenti) relative al codice attualmente in esecuzioneLe pagine (o i segmenti) che non sono al momento caricate in memoria rimangono disponibili sulla memoria di massa, all’interno di opportuni file
Memoria Virtuale (swap)Memoria Virtuale (swap)
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Programma DProgramma D
Memoria
0000x Programma A-1Programma A-1
Programma B-1Programma B-1
Programma A-2Programma A-2
Programma A-3Programma A-3
Programma B-2Programma B-2
Swap
La memoria virtuale La memoria virtuale
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La memoria virtuale La memoria virtuale
Programma DProgramma D
Memoria
0000x Programma A-2Programma A-2
Programma B-1Programma B-1
Programma A-1Programma A-1
Programma A-3Programma A-3
Programma B-2Programma B-2
Swap
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Memoria fisica e memoria virtuale
…...
0
1
2
3
4
5
DecimaleMem. virtuale o logica
4 Giga
…...
Mem. fisica
0
1
2
128 Mega
Il numero di indirizzi virtuali (o logici) è maggiore del numero di indirizzi fisici !!!
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Indirizzi logici e fisici
Mem. virtuale Mem. fisica
…...
148 148
…...
Se numero ind. logici = numero ind. fisici
abbiamo una corrispondenza uno a uno
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Indirizzi logici e fisici
Mem. virtuale
Mem. fisica
…...
148 300
- Poiché nella memoria virtuale: num. indirizzi logici > num. indirizzi fisici
allora più indirizzi logici vengono tradotti in un unico indirizzo fisico
132
56
…...
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Indirizzi logici e fisici Mem. virtuale
Mem. fisica
148 300132
56
......
Mem. virtuale
Mem. fisica
300
56
......
148132
Istante T1
Istante T2
N.B. Le celle con ind. logici tradotti in un unico ind. fisico non possono essere usate contemporaneamente.
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Traduzione degli indirizzi
La traduzione degli indirizzi logici in indirizzi fisici è effettuata dalla MMU (Memory Management Unit), componente HW nella CPU.
RAMCPU
MMU
Ind. logici
Ind. fisici
Address BUS
Data BUS
Control BUS
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Gestione della memoria centraleGestione della memoria centrale
La gestione di memoria e processi deve essere coordinata: • quando un processo viene eseguito, il codice relativo al
corrispondente programma deve essere almeno parzialmente residente in memoria
Le pagine (o i segmenti) attualmente in esecuzione o che contengono i dati attualmente indirizzati/elaborati devono risiedere in memoria centrale
• Se una pagina o un segmento necessario al processo non è presente in memoria centrale, il processo deve essere sospeso per consentire il caricamento, da parte del gestore della memoria, della pagina o del segmento di codice
• Il processo corrispondente passa da running a waiting; entrerà nuovamente nella ready queue quando saranno completate le operazioni necessarie a portare la pagina o il segmento in memoria
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Memoria di modo S ed U Memoria di modo S ed U 1 1
Ai programmi che realizzano le funzioni proprie del SO, ed alle strutture dati da esso usate, devono essere assegnate opportune zone di memoriaInoltre, i processi di sistema possono usare l’intero set di istruzioni del calcolatore (talune non disponibili per i programmi utente), possono venire allocati in memoria in maniera ottimale, e devono essere protetti da errori causati da altri programmi
La memoria viene suddivisa in memoria di modo Smemoria di modo S (supervisore) e memoria di modo Umemoria di modo U (utente)
Nella porzione di modo S vengono caricati i processi del SO e vengono create le strutture dati da esso utilizzateNella porzione di modo U vengono caricati i processi utente
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Memoria di modo S ed U Memoria di modo S ed U 2 2
Se il processore sta eseguendo un processo utente, lo si dice attivo in modo utenteattivo in modo utente (modo Umodo U), se esegue un processo di sistema, cioè se è attivo il nucleo, lo si dice attivo in modo supervisoreattivo in modo supervisore (modo Smodo S)
Quando il processore è attivo in modo S può accedere a tutta la memoria (di modo U e di modo S) ed ha a disposizione un insieme più ricco di istruzioniIl processore attivo in modo U può accedere solo alle zone di memoria di modo U, ed in particolare a quelle riservate al solo processo in esecuzione
La suddivione della memoria protegge il codice e le strutture dati che il SO usa per garantire una gestione delle risorse corretta ed efficiente
Le istruzioni di codice utente non possono accedere a zone di memoria di modo S se non richiedendo l’intervento del SO
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La gestione dei La gestione dei processiprocessi
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Esecuzione di un programma
Quando un programma utente è stato attivato il processore esegue una dopo l’altra le istruzioni assembler che lo compongono
Un programma in esecuzione viene detto ‘processo’
Problema : Come fa il Sistema Operativo a riprendere il controllo del processore dopo l’attivazione di un processo? Terminazione (normale o erronea) Interruzione (interrupt)
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Gestione dei processori
Gestione del/i processore/i:
• in un certo istante la CPU è assegnata ad un solo programma;
• assegnazione nel tempo della CPU ai vari programmi in attesa di essere eseguiti;
• gestione della cooperazione tra diverse CPU
(virtualizzazione dei processori)
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Gestione dei processi e dei processori
Gestione dei processi:
gestione dell’avvicendamento dei processi in esecuzione sul
processore (o sui processori).
Gestione dei processori:
gestione dell’assegnazione dei processori ai processi.
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S.O. multi-tasking
Obiettivo: sfruttare l’attesa per il compimento di
operazioni di I/O (anche l’80-90% del tempo di
elaborazione)
Mentre il processo i attende per un’op. di I/O viene
mandato in esecuzione il processo j.
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Tempo
Elapsed time: tempo trascorso tra l’inizio
della vita del processo e la sua terminazione
CPU time: tempo in cui il processo è stato
realmente in esecuzione
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Massimizzare l’uso della CPU.
Massimizzare il numero di processi eseguiti
nell’unità di tempo.
Minimizzare il tempo di risposta.
Obiettivi
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Processi Concorrenti
Nei sistemi attuali sono in esecuzione più processi
‘contemporaneamente’.
La CPU esegue comunque una sola istruzione per volta.
Il S.O. gestisce l’avvicendamento dei processi in
esecuzione: assegna la CPU ai vari processi istante dopo
istante.
Scheduler: parte del S.O. che si occupa della gestione dei
processi e dei processori
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La gestione dei processi La gestione dei processi 1 1
ProcessoProcesso — un programma in esecuzione
Il processo è un oggetto dinamico, che evolve nel tempo, in contrapposizione al programma, un oggetto statico ed invariante nel tempo
L’unità di elaborazione che esegue i processi prende il nome di processoreprocessore
La corrispondenza tra programma e processo non è necessariamente biunivoca: uno stesso programma eseguibile può essere associato a più processi, ciascuno dei quali svolge uno dei compiti richiesti dal programma
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Il gestore dei processigestore dei processi è il modulo che si occupa del controllo, della sincronizzazione, dell’interruzione e della riattivazione dei programmi in esecuzione
Il programma che si occupa della distribuzione del tempo di CPU tra i vari processi attivi, decidendone l’avvicendamento, è chiamato schedulerscheduler
Nel caso di sistemi multiprocessore, lo scheduler si occupa anche di gestire la cooperazione tra le diverse CPU presenti nel sistema
La gestione dei processi – 2La gestione dei processi – 2
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Stato dei processi Stato dei processi 1 1Mentre viene eseguito, un processo cambia statostato:
NewNew: Il processo viene creato
RunningRunning: Il processo viene eseguito
WaitingWaiting: Il processo è in attesa di un evento
ReadyReady: Il processo è in attesa di essere assegnato al processore
TerminatedTerminated: Il processo ha terminato la propria esecuzione
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Stato dei processi Stato dei processi 2 2
Nell’ipotesi di un unico processore, uno solo dei processi può essere in esecuzione ad un certo istante, cioè in stato di running
Gli altri processi sono pronti (ready) o in attesa (waiting)
I processi pronti possono venir eseguiti immediatamente: sarà lo scheduler della CPU, in base alla politica di gestione dei processi, a decidere quale dei processi pronti sarà il prossimo ad accedere alla CPUI processi in attesa attendono il verificarsi di un evento esterno (per esempio l’immissione di dati tramite un dispositivo di I/O) per passare in stato di pronto
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Interruzioni interne Interruzioni interne 1 1
Nel corso della sua evoluzione, il processo in esecuzione può richiedere lo svolgimento di un’operazione di ingresso/uscita che coinvolge una periferica
L’esecuzione del processo si interrompe ed il kernel del SO diviene attivo (si esegue un processo di sistema)
La sospensione del processo in esecuzione si dice interruzione internainterruzione interna: il processo passa dallo stato ready allo stato waiting
L’esigenza di sospendere il processo all’atto di una richiesta di un servizio di I/O risponde ad una logica di buona amministrazione delle risorse
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Interruzioni interne Interruzioni interne 2 2
E’ notevole la differenza fra i tempi di esecuzione delle istruzioni in memoria centrale (dell’ordine delle decine di nanosecondi) ed i tempi di esecuzione delle istruzioni di I/O (qualche millisecondo per accesso alla memoria di massa, qualche secondo per comandi da terminale)
La sospensione avviene in modo tale che il processo possa riprendere la propria attività, dopo l’interruzione, esattamente dallo stesso punto e con gli stessi dati
Occorre salvare il contestosalvare il contesto, cioè copiare il contenuto dei registri del processore in una zona particolare di memoria, il descrittore del processodescrittore del processoPrima di riprendere l’esecuzione del processo interrotto, occorre eseguire l’operazione inversa, cioè ricopiare il contenuto del descrittore nei registri del processore, per ripristinare il contestoripristinare il contesto
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Interruzioni interne Interruzioni interne 3 3
Dopo il salvataggio del contesto del processo interrotto, lo scheduler della CPU seleziona uno dei processi pronti e gli alloca il processore
Molti processi possono essere nello stato di pronto allo stesso tempoIl contesto del processo selezionato, in base alla politica di scheduling, viene ripristinato, e la sua esecuzione può proseguire dall’istruzione successiva a quella che ne aveva provocato l’interruzione (quella puntata dal registro program counterprogram counter )
L’operazione complessiva di interruzione di un processo, salvataggio del contesto, scelta di un nuovo processo dalla ready queueready queue (coda dei processi pronti), e ripristino del suo contesto, prende il nome di cambiamento di contestocambiamento di contesto o context switchcontext switch
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Interruzioni esterne Interruzioni esterne 1 1
Le interruzioni esterne sono eventi asincroni, cioè non regolati dal clock del processore: le operazioni dell’elaboratore si coordinano con il mondo esterno attraverso le periferiche
Quando si verifica un’interruzione esterna, il kernel......salva il contesto del processo attivo, che passa dallo stato di esecuzione allo stato di pronto...richiama un proprio modulo, il gestore delle gestore delle interruzioniinterruzioni, che esegue le operazioni necessarie per far fronte alla particolare interruzione
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Interruzioni esterne Interruzioni esterne 2 2
Esempio:Esempio: Se l’interruzione segnala la presenza di dati in ingresso da tastiera, a fronte di un’operazione di lettura richiesta dal processo P1, il gestore delle interruzioni...
...trasferisce i dati dal registro della periferica in memoria centrale...provvede a modificare lo stato del processo P1, da waiting a readyInoltre, al termine della gestione dell’interruzione, lo scheduler seleziona uno dei processi pronti (non necessariamente quello sospeso dall’interruzione appena servita) e lo manda in esecuzione
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Il ciclo di vita dei processi Il ciclo di vita dei processi 1 1
Un processo può anche essere sospeso preemptedpreempted dal nucleo (running ready), dopo un dato intervallo temporale, per garantire a tutti i processi un uso paritario della CPU: lo scheduler sceglie quale fra i processi pronti mandare in esecuzione
Ogni nuovo processo entra nel sistema accedendo alla ready queue (new ready), e va in esecuzione (ready running) quando viene selezionato dallo scheduler Un processo attivo può essere arrestato per un interrupt esterno (running ready)
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Il ciclo di vita dei processi Il ciclo di vita dei processi 2 2
Anche un’interruzione interna può causare l’arresto di un processo (running waiting)Viceversa, il verificarsi dell’evento atteso da un processo fa sì che esso passi dallo stato di attesa allo stato di pronto (waiting ready)
Infine, un processo in esecuzione può terminare regolarmente, o essere interrotto e terminato forzatamente dal nucleo (abortedaborted ) per il verificarsi di un errore
Ugualmente, lo scheduler seleziona un nuovo processo dalla ready queue
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Scheduling della CPU Scheduling della CPU 1 1
Oltre ad arrestarsi a causa delle interruzioni, il processo attivo può venire arrestato d’autorità dallo scheduler, che ha come obiettivo quello di far eseguire ciascun processo utente entro un tempo approssimativamente proporzionale alla sua complessità, effettuando una ripartizione equa della risorsa CPU
Criteri di scheduling:Criteri di scheduling:Utilizzo di CPUUtilizzo di CPU — la CPU deve essere più attiva possibileThroughputThroughput — numero di processi completati nell’unità di tempoTempo di turnaroundTempo di turnaround — tempo di esecuzione di un processoTempo di attesaTempo di attesa — tempo di attesa del processo nella ready queueTempo di rispostaTempo di risposta — tempo che intercorre tra la sottomissione di una richiesta e la prima risposta prodotta
{
{min
max
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Le politiche di scheduling sono raggruppabili in due grandi categorie:
PreemptivePreemptive: l’uso della CPU da parte di un processo può essere interrotto in un qualsiasi momento, e la risorsa concessa ad altro processo
Non preemptiveNon preemptive: una volta che un processo ha ottenuto l’uso della CPU, è unico proprietario della risorsa finché non ne decide il rilascio
Scheduling della CPU Scheduling della CPU 2 2
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Scheduling della CPU Scheduling della CPU 3 3
RoundRoundrobinrobin : la politica di scheduling più semplice, che consiste nel garantire la rotazione nell’esecuzione dei processi
Lo scheduler assegna la CPU ad un processo per un quantoquanto di tempoQuando il quanto di tempo termina, il processo in esecuzione viene interrotto e ritorna nella ready queue
Per realizzare l’alternanza fra processi, lo scheduler gestisce la ready queue in modo tale da assegnare il processore al primo processo in coda che, quando esaurisce il suo quanto, viene posto alla fine della coda
Alla fine della coda si inseriscono anche i processi che passano dallo stato di attesa allo stato di pronto
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Scheduling della CPU Scheduling della CPU 3 3
Esempio:Esempio: Scheduling Roundrobin, con quanto di tempo 20
Processo Tempo di CPU
P1 53
P2 17
P3 68
P4 24
P1 P2 P3 P4 P1 P3 P4 P1 P3 P3
0 20 37 57 77 97 117 121 134 154 162
P3P2 P4 P1
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Scheduling della CPU Scheduling della CPU 4 4
Il quanto di tempo assegnato a ciascun processo......deve essere molto maggiore del tempo di context switch...deve essere significativamente inferiore al tempo medio di esecuzione dei programmi, altrimenti l’effetto della politica di rotazione si annulla
Un quanto di tempo minore incrementa il numero di context switchUn quanto di tempo minore incrementa il numero di context switch
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Scheduling della CPU Scheduling della CPU 5 5
Utilizzando la politica Roundrobin, il tempo di esecuzione di ciascun programma diviene approssimativamente proporzionale alla “complessità in tempo” del programma stesso ed al numero di operazioni di ingresso/uscita
Inoltre, frazionare l’esecuzione dei processi ha l’effetto di favorire il completamento rapido dei più brevi, con conseguente massimizzazione del numero di processi terminati nell’unità di tempo: aumento del throughputthroughput del sistema
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Scheduling della CPU Scheduling della CPU 6 6
Possono essere utilizzate politiche di scheduling più complesse: per esempio, se i processi hanno differenti priorità, è possibile associare a ciascun livello di priorità una diversa coda di processi pronti, per prelevare il primo processo dalla coda (non vuota) a priorità più alta
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Scheduling della CPU Scheduling della CPU 7 7
Esempio:Esempio: In un sistema che comporta problemi di sicurezza, alcuni eventi (come la segnalazione di guasti ai motori di un aereo) sono molto più importanti di altri (come la segnalazione di difetti al sistema di intrattenimento)
Nella maggior parte delle applicazioni di elaborazione dati viene attribuita una priorità bassa ai cosiddetti processi batchbatch, che non necessitano interazione con l’utente
Problema:Problema: StarvationStarvation (blocco indefinito), i processi a bassa priorità potrebbero non venir mai eseguiti
Soluzione:Soluzione: AgingAging (invecchiamento), aumento graduale della priorità dei processi che si trovano in attesa nel sistema da lungo tempo
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Sincronizzazione dei processi Sincronizzazione dei processi 1 1
tA
B
C
T
Tempo di utilizzo della CPUTempo di attesa di eventi esterni
I processi devono sincronizzarsisincronizzarsi, devono cioè coordinare le loro attivitàLa modalità più semplice di coordinamento consiste nell’esecuzione sequenzialeesecuzione sequenziale : un processo termina invocando l’attivazione di un nuovo processo
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Sincronizzazione dei processi Sincronizzazione dei processi 2 2
Tecniche di sincronizzazione più complesse nascono dall’esigenza dei processi di competerecompetere per alcune risorse, o di cooperarecooperare fra loro
Esempio:Esempio: Un processo che richiede un servizio di I/O può essere interrotto e la CPU passata a un altro programma
Tmulti-tasking
tA
B
C
Tmono-tasking
Tempo di utilizzo della CPUTempo di attesa di eventi esterni
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Sincronizzazione dei processi Sincronizzazione dei processi 3 3
Un esempio di competizionecompetizione si verifica quando due processi vogliono accedere simultaneamente ad una risorsa, detta risorsa criticarisorsa critica, sulla quale può operare un solo processo alla volta; nel caso di richieste contemporanee, uno solo dei processi richiedenti accede alla risorsa critica, mentre l’altro deve attendere il rilascio della risorsa per potervi accedere a sua volta
Un esempio di coordinazionecoordinazione si ha quando due processi sono tali per cui ciascuno di essi ha bisogno dell’altro per poter evolvere; nel classico problema del problema del produttore/consumatoreproduttore/consumatore, il primo processo produce dati (per esempio, acquisendoli da una periferica) mentre il secondo li utilizza (per esempio, svolgendo su di essi delle elaborazioni)
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Sincronizzazione dei processi Sincronizzazione dei processi 4 4
La sincronizzazione dei processi, necessaria sia nel caso di competizione sia nel caso di cooperazione, avviene tramite due meccanismi fondamentali...
...l’uso di variabili condivise (dette semaforisemafori), per l’accesso a parti critiche di codice...e la comunicazione esplicita fra processi (mediante scambio di messaggimessaggi)
Esempio:Esempio: L’accesso concorrente a dati condivisi può causare incoerenza nei datiPer garantire la coerenza dei dati occorrono meccanismi che assicurano l’esecuzione ordinata dei processi cooperanti
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Sincronizzazione dei processi Sincronizzazione dei processi 5 5
Problema della sezione critica:Problema della sezione critica:n processi competono per utilizzare dati condivisi; ciascun processo è costituito da un segmento di codice, detto sezione criticasezione critica, in cui accede ai dati e li modificaIpotesi:Ipotesi:
Assicurarsi che, quando un processo esegue la sua sezione critica, a nessun altro processo sia concesso eseguire la propriaL’esecuzione di sezioni critiche da parte di processi cooperanti è mutuamente esclusivamutuamente esclusiva nel tempo
Soluzione: Soluzione: progettare un protocollo di cooperazione fra processi
Ogni processo deve chiedere il permesso di accesso alla sezione critica, tramite una entry section entry section (il semaforo diviene “rosso” ad opera del processo che trova il “verde” e si accinge ad accedere ai dati) La sezione critica è seguita da una exit section exit section (il semaforo “rosso” diviene “verde” ad opera del processo che ha terminato di utilizzare i dati condivisi); il rimanente codice è non critico
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La gestione delle La gestione delle perifericheperiferiche
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La gestione dei dispositivi di I/O La gestione dei dispositivi di I/O
La gestione dell’I/O richiede:Un’interfaccia comune per la gestione dei device driverdevice driverUn insieme di driver per dispositivi hardware specificiUn sistema di gestione di buffer per il caching delle informazioni
Il gestore dei dispositivi di I/Ogestore dei dispositivi di I/O è il modulo del SO incaricato di assegnare i dispositivi ai task che ne fanno richiesta e di controllare i dispositivi stessi
Da esso dipende la qualità e il tipo di periferiche riconosciute dal sistema
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Driver di dispositivo Driver di dispositivo
I driver sono moduli software cui è affidato il compito di comunicare dati da e verso le periferichePermettono l’accesso alle periferiche tramite “primitive di alto livello”I device driver implementano le seguenti funzioni:
Rendono trasparenti le caratteristiche fisiche tipiche di ogni dispositivoGestiscono la comunicazione dei segnali verso i dispositiviGestiscono i conflitti, nel caso in cui due o più task vogliano accedere contemporaneamente allo stesso dispositivo
I driver vengono scritti specificamente per ciascun dispositivo e sono normalmente forniti dal costruttore
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Il file systemIl file system
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Il file system Il file system 1 1
FileFile: Spazio di indirizzi logici contigui; è un insieme di informazioni correlate e registrate nella memoria secondaria, a cui è stato assegnato un nome
Dal punto di vista dell’utente......è la più piccola porzione di memoria secondaria indirizzabile logicamente e......i dati possono essere scritti nella memoria secondaria soltanto all’interno di un file
Dal punto di vista del SO......i file vengono mappati su dispositivi fisici di memorizzazione non volatili
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Il file system Il file system 2 2
Attributi del fileAttributi del file:NomeNome: identificativo del file
LocazioneLocazione: puntatore al dispositivo ed alla posizione del file sul dispositivo
DimensioneDimensione: dimensione attuale del file
ProtezioneProtezione: parametri di controllo per l’accesso in lettura, scrittura ed esecuzione del file
OraOra, datadata, identificativo dell’utenteidentificativo dell’utente: dati necessari a protezione e sicurezza del sistema, e per il controllo d’uso
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Il file system Il file system 3 3
Il file systemfile system è responsabile della gestione dei file in memoria di massa
struttura i dati in file......li organizza in directory (o cartelle)realizza inoltre un insieme di funzioni di alto livello per operare su file e directory
Il file system garantisce una gestione dei file indipendente dalle caratteristiche fisiche dei dispositivi che costituiscono la memoria di massa: astrazione utile sia per l’utente sia per i programmi
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La gestione dei file La gestione dei file 1 1
Le infomazioni sui file sono conservate nella struttura di directorydirectory, che risiede sulla memoria secondariaLe directorydirectory hanno (nel caso più semplice) organizzazione ad alberoalbero; ciascuna directory può contenere file e sottodirectory
DirectoryDirectory
FileFile
Albero delle Albero delle directorydirectory
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La gestione dei file La gestione dei file 2 2
Ciascun file viene identificato da un pathnamepathname che include l’intero cammino, dalla radice dell’albero al file stessoTutti i file e sottodirectory presenti nella stessa directory devono avere nomi distinti ciascun pathname è unico
Il file system di WINDOWSIl file system di WINDOWS
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La gestione dei file La gestione dei file 3 3
Un utente che interagisce con il file system ha un proprio contesto, cioè una specifica posizione nel file system, corrispondente ad un nodo nell’albero
Per default, all’atto del collegamento al sistema, il contesto dell’utente è costituito dalla sua home directory
Il contesto può essere variato, muovendosi ovunque nell’albero delle directory (almeno in quelle accessibili all’utente)
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La gestione dei file La gestione dei file 4 4
Funzioni disponibili agli utenti del file system:
Creazione di file (operazione normalmente eseguita da software applicativo, come editor e word processor) e directory
Comandi per stabilire i parametri di protezione
Lista del contenuto di una directory
Comandi per cambiare il contesto
Copia, ridenominazione e visualizzazione di file
Cancellazione di file e rimozione di directory