Post on 01-May-2015
Il Software: Obiettivi
Programmare direttamente la macchina hardware è molto difficile:
l’utente dovrebbe conoscere l’organizzazione fisica del computer e il suo linguaggio macchina;
un programma dipenderebbe strettamente dalla struttura hardware e ogni piccola differenza hardware comporterebbe una riscrittura del programma.
Questo non è accettabile, vogliamo invece: astrarre dall’organizzazione fisica della macchina,
in quanto vogliamo usare nello stesso modo, macchine leggermente diverse dal punto di vista hardware o, al limite, macchine con hardware molto diverso
interagire in modo semplice con la macchina; programmare ad alto livello la macchina; infine vogliamo programmi applicativi per
svolgere diversi compiti utili (videoscrittura, fogli di calcolo, database, editing di immagini, etc…)
Questi obiettivi vengono raggiunti grazie alla definizione di macchine virtuali che vengono realizzate al di sopra della macchina hardware reale
HW
macchina virtuale
Utente
Concetto di Macchina Virtuale
Macchine Virtuali Ogni macchina reale ha un suo linguaggio macchina
L0 le cui istruzioni sono direttamente eseguibili dal processore (HW)
Al di sopra di questo linguaggio è possibile definire una gerarchia di linguaggi Li e fornire delle regole per tradurne le istruzioni in opportune sequenze di istruzioni in linguaggio macchina
L’insieme di queste nuove istruzioni definisce una macchina virtuale in quanto non esiste fisicamente ma viene realizzata mediante il software
La macchina virtuale si occupa della traduzione delle istruzioni al livello Li nell'opportuna sequenza di istruzioni di livello Li-1 che realizza la stessa funzione
Machine virtuali
Hardware - Linguaggio macchina L0
Macchina virtuale N - sistema di comandi LN
Utente
Interprete dei comandi
Interfaccia
Macchina virtuale 1 - sistema di comandi L1
Interprete dei comandi
Il software fornisce:
1. Un sistema di interazione semplice con la macchina
2. Linguaggi ad alto livello per programmare la macchina;
3. Programmi applicativi per svolgere diversi compiti (videoscrittuta, fogli di calcolo, database, etc…)
supponiamo che l'utente voglia stampare un documento doc1 (un file). A livello fisico questa operazione è complessae richiede operazioni di trasferimento dati ad esempio dal disco alla stampante (via memoria principale)
La macchina virtuale potrebbe fornire all'utente un semplice comando di stampa del tipo:
stampa doc1
1. Esempio esecuzione di un comando virtuale
La macchina virtuale deve innanzitutto verificare se si tratta di un comando valido
Poi tradurlo nell’opportuna sequenza di istruzioni a basso livello per la macchina fisica
Grazie a questo livello software si può astrarre dalle caratteristiche fisiche della macchina e della periferica (la stampante)
Si può anche fare in modo che macchine differenti siano
usabili in modo simile: si tratta, infatti, di costruire al di sopra
delle diverse macchine fisiche la stessa macchina virtuale
Per ogni comando della macchina virtuale si dovranno però
avere diversi programmi di traduzione, uno per ogni tipo di
hardware
2. Linguaggi di programmazione
Un programma scritto in un linguaggio di programmazione è costituito da una sequenza di istruzioni ad alto livello strutturate in modo complesso
Compilatore: traduce il programma intero in un insieme di istruzioni macchina– il programma tradotto si chiama (file) eseguibile
Interprete: traduce una istruzione per volta del linguaggio in una sequenza di istruzioni macchina e le esegue
Software di base Sistema Operativo: insieme di programmi che
interagiscono e cooperano tra di loro per realizzare due obiettivi fondamentali:
– gestire efficientemente il computer e le sue periferiche, cercando di sfruttare al massimo tutte le componenti hardware
– creare un ambiente virtuale per facilitare l'interazione uomo-macchina
Strumenti per l’uso di linguaggi ad alto livello:– Interpreti e compilatori– Strumenti per l’esecuzione di programmi
Compiti del Sistema operativo Configurazione e accensione macchina Gestione del processore Gestione della memoria principale Gestione di informazione in memoria
secondaria (File System) Gestione delle periferiche Interazione utente macchina: interfaccia e
interprete comandi Protezione dei dati (sicurezza)
Tipi di sistemi operativi
Esistono diversi tipi di sistemi operativi per diverse
classi di computer
Distinzione fondamentale
– sistemi mono-utente
– sistemi multi-utente
Il Sistema Operativo
Sistemi mono-utente pensati per Personal Computer– IBM PC - Compatibili (DOS - Windows)– Macintosh
Due diversi tipi di interazione utente/computer:– interazione testuale (es. MS-DOS per PC-IBM)– interazione grafica (es. Macintosh, Windows,Linux)
Sistemi operativi multi-utente: UNIX (Workstation, PC: LINUX)
– Utilizzato per computer collegati in rete– supporta varie interfacce grafiche (a
finestre) Windows NT,2000,XP
– Utilizzato per computer collegati in rete
Gestione del processore e dei processi
Il processore è la componente più importante di un sistema di elaborazione e pertanto la sua corretta ed efficiente gestione è uno dei compiti principali di un sistema operativo
Il ruolo del processore è quello di eseguire programmi
Si chiama processo un programma in esecuzione
Processore e processi
La gestione del processore è in modo:
mono-tasking: esegue un programma per volta (MS-DOS)
multi-tasking: esegue più programmi contemporaneamente (Windows varie versioni dal 95, Macintosh, UNIX)
qualunque processo alterna fasi di esecuzione a fasi in cui è bloccato in attesa di qualche evento esterno
Un processo può essere in attesa che sia terminata un’operazione di input di dati oppure in attesa di poter usare una risorsa in quel momento occupata
mentre il processo è bloccato in attesa di eventi esterni, il processore rimane inattivo, in uno stato chiamato idle, e risulta pertanto sotto-utilizzato
Limite del mono-tasking
I tempi di lavoro delle periferiche di input/output, o
addirittura i tempi di reazione umani sono maggiori di
molti ordini di grandezza della velocità del processore
(quindi del tempo in cui un processo è in esecuzione)
Multi-tasking
Come è possibile eseguire più programmi contemporaneamente sullo stesso processore?Ad ogni istante vi è un solo processo attivo
Il processore alterna l’esecuzione dei vari programmi
Il tempo di lavoro della CPU viene suddiviso tra i vari programmi
Se l'alternanza tra i processi è frequente (ad es.10 millisecondi), l'utente ha l'impressione che l'esecuzione dei programmi sia simultanea
A livello macroscopico si ha quindi l'impressione della contemporaneità, mentre a livello microscopico si ha una semplice alternanza sequenziale molto veloce
Il tempo di esecuzione, cioè il tempo che intercorre tra l'inizio e la fine del processo, risulta aumentato rispetto al caso mono-tasking a causa dell’alternanza con gli altri processi
Un processo può trovarsi in tre diversi stati:
in esecuzione, quando sta utilizzando il processore;
in attesa (bloccato), quando è in attesa del verificarsi di un evento esterno (terminazione di un’operazione di input/output o altro)
pronto, quando è potenzialmente in condizione di utilizzare il processore che è occupato da un altro processo