di Milano Sistemi Operativi ed interazione con HW e...

Politecnicodi Milano

Sistemi Operativi Sistemi Operativi

ed interazione con HW e CADed interazione con HW e CAD

Corsi di Informatica Grafica

Prof. Manuel Roveri

Dipartimento di Elettronica e [email protected]


2

IndiceIndice

Il Sistema Operativo◦ Software di sistema e applicativo

◦ Architettura di un sistema operativo

◦ Classificazione dei sistemi operativi

◦ Bootstrap

◦ Panoramica dei principali sistemi operativi MS DOS, MS Windows, UNIX, Linux, BSD, Mac OS

Interazione tra SO, HW e CAD ◦ Un esempio pratico: la grafica computerizzata


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Software: di sistema e applicativoSoftware: di sistema e applicativo

Di sistema: controlla il comportamento del sistema stesso

◦ il più importante dei software di sistema è il sistema operativo:

controlla le risorse del sistema

fornisce la base su cui costruire tutti gli altri programmi

Applicativo: risolve i problemi dell’utente, appoggiandosi

sullo strato fornito dal sistema operativo


4

Il sistema operativoIl sistema operativo

Con il termine sistema operativo si intende

l’insieme di programmi e librerie che opera

direttamente sulla macchina fisica...

◦ ... mascherandone le caratteristiche specifiche...

◦ ... e fornendo agli utenti un insieme di funzionalità

di alto livello


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Sistemi OperativiSistemi Operativi

MS-DOS

MS-Windows (95, 98, 2000, XP, Vista)

Unix

◦ Commerciali: Sun Solaris, IBM AIX, HP-UX,…

◦ Linux

◦ BSD

Mac OS

◦ Mac OS X

Altri (IBM AS/400, Symbian,…)


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Architettura di un S.O. Architettura di un S.O. -- 11

Un moderno S.O. è organizzato secondo una architettura “a strati” (a cipolla)

Ogni strato implementa una macchina virtuale più potente del precedente

◦ Appoggiandosi alle funzionalità offerte dallo strato precedente

Tale approccio permette una chiara separazione tra interfaccia e implementazione delle diverse funzionalità

Ogni strato è costituito da un insieme di programmi e librerie

◦ I meccanismi di chiamate tra livelli possono essere diversi

chiamate a sottoprogrammi, interruzioni sincrone o asincrone, invio di messaggi a processi


Architettura di un S.O. Architettura di un S.O. -- 22

Macchina fisica

Gestore dei processi (nucleo)

Gestore della memoria

Gestore delle periferiche

Gestore del file system

Interprete dei comandi Interfaccia grafica

Programmi utente

Gestori di risorse

(kernel)

Interfacce utente


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Il NucleoIl Nucleo

◦ Si appoggia direttamente sulla macchina fisica

◦ Effettua la gestione dei processi

◦ In un sistema multitasking realizza una macchina virtuale in cui ad ogni processo è assegnata un processore virtuale

◦ Comprende i principali programmi di risposta ad interruzione

◦ Realizza le primitive di sincronizzazione e scambio messaggi tra processi


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Il NucleoIl Nucleo

Memoria

centrale

Interfaccia

delle

periferiche

Bus di sistema

Processore

virtuale

Processore

virtuale

Processore

virtuale...

Disco

La macchina virtuale realizzata dal nucleo


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Il gestore della memoriaIl gestore della memoria

Il gestore della memoria

◦ Realizza le funzionalità di allocazione della

memoria

Supera i limiti della memoria fisica e mostra ai processi

uno spazio di memoria virtuale

◦ Partiziona la memoria tra i vari processi che la

richiedono

Garantendo la protezione delle diverse zone di memoria


11

Il gestore della memoriaIl gestore della memoria La macchina virtuale realizzata dal gestore

della memoria

Interfaccia

delle

periferiche

Bus di sistema

Processore

virtuale...

Disco

Processore

virtuale

Processore

virtuale

Memoria

virtuale

Memoria

virtuale

Memoria

virtuale...


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Il gestore delle perifericheIl gestore delle periferiche

Il gestore delle periferiche

◦ Maschera le caratteristiche fisiche delle periferiche

◦ Fornisce agli strati superiori un insieme di procedure di

alto livello per l’accesso alle diverse periferiche

◦ Offre ad ogni processo la visibilità di un insieme di

periferiche virtuali dedicate

◦ Gestisce, almeno in parte, i malfunzionamenti delle

periferiche


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Il gestore delle perifericheIl gestore delle periferiche La macchina virtuale realizzata dal gestore

delle periferiche

Interfaccia

periferiche

virtuali

Bus di sistema

Processore

virtuale

Disco

Memoria

virtuale

...Bus

Interfaccia

periferiche

virtuali

Processore

virtuale

Memoria

virtuale

Bus


14

Il gestore del file systemIl gestore del file system

Il gestore del file system

◦ E’ responsabile della gestione delle periferiche di massa

Hard disk

CD / DVD

Memory stick USB

...

◦ Fornisce agli strati superiori un insieme di procedure per

l’accesso al file system

◦ Garantisce la protezione nell’accesso ai file


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Le funzioni di base che sono supportate da

un file system sono

◦ Il recupero di dati precedentemente memorizzati

◦ L’eliminazione di dati obsoleti

◦ La modifica/aggiornamento di dati preesistenti

◦ La copia di dati

Tra supporti di memorizzazione diversi (ad es. da HD a

CD)

In cartelle diverse nello stesso supporto


16


I dati contenuti nella memoria di massa vengono strutturati e

gestiti mediante una organizzazione in file

Un file è un contenitore logico identificato da un nome

(filename)

I filename generalmente sono composti da due parti

◦ ad es. curriculum_vitae.doc

◦ Il filename vero e proprio (curriculum_vitae)

◦ L’estensione (doc)


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L’estensione è spesso associata al programma che ha generato il file e individua pertanto la tipologia del contenuto del file

◦ .exe file eseguibili

◦ .txt file di testo

◦ .doc documenti di testo (MS Word)

◦ .wav file audio

◦ .dwg file di AutoCAD

◦ ...

Ad ogni file sono poi associati dal sistema operativo altri dati

◦ Data di creazione / modifica

◦ Lunghezza del file (in byte)

◦ Utenti/Gruppi che possono accedere ai file


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I file vengono suddivisi in più contenitori logici, chiamati directory, cataloghi o cartelle (folders)

Le cartelle sono organizzate secondo una struttura ad albero

Il file system contiene una directory detta radice dell’albero che può contenere file o altre cartelle

Ciascun file è individuato univocamente dal suo nome completo o percorso assoluto

◦ Ad es. D:\downloads\temp\002.part

Due file con lo stesso nome in due cartelle distinte, ad esempio

◦ D:\Immagini\Compleanno\foto1.jpg

◦ D:\Documenti\foto1.jpg

fanno riferimento a due file che in generale possono essere DIVERSI


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D:

Documenti

Downloads

Incoming

Temp

...

...


20


La macchina virtuale realizzata dal gestore del

file system

Interfaccia

periferiche

virtuali

Bus di sistema

Processore

virtuale

Memoria

virtuale

...Bus

File File...

Interfaccia

periferiche

virtuali

Processore

virtuale

Memoria

virtuale

Bus

File File...


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L’interprete dei comandi e L’interprete dei comandi e

l’interfaccia grafical’interfaccia grafica

L’interprete comandi e l’interfaccia grafica

◦ Costituiscono l’interfaccia verso l’utente

◦ Consentono l’interazione dell’utente con il s.o. e con i

programmi applicativi in esecuzione

Permettono di accedere ai programmi conservati su memoria di

massa e mandarli in esecuzione

allocando la memoria necessaria e creando il processo relativo

◦ Nel caso di un sistema multiutente forniscono ai diversi

utenti la visione di una macchina virtuale dedicata


22

Una possibile classificazione dei Una possibile classificazione dei

moderni S.O.moderni S.O.

◦ Sistemi monotask: Permettono l’esecuzione di un solo programma utente per volta (es.

DOS)

Il computer a disposizione del programma dall’inizio alla fine della sua esecuzione

Coda dei job, gestita FIFO (first in, first out) e/o con priorità

◦ Sistemi multitask Permettono l’esecuzione di più programmi utente contemporaneamente

Classificazione ulteriore: Multitasking cooperativo (Windows 3.1, MacOS)

Multitasking preemptive (Windows 95/98/NT, Unix)

Time sharing o meno


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Svantaggi dei sistemi Svantaggi dei sistemi

monoprocessore monomonoprocessore mono--taskingtasking

Nessuna interazione utente-programma

Lentezza: la CPU non può essere usata da nessun

processo mentre il programma in esecuzione svolge

operazioni di I/O (molto piu’ lente di letture/scritture in

Memoria)

Esempio: DOS è un SO monotasking; non si può fare

niente altro mentre si formatta un floppy o si

memorizzano dati su disco


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Multitasking (time sharing)Multitasking (time sharing) Ripartizione del tempo di CPU tra tutti i processi che la vogliono

Ogni job rimane in esecuzione solo per un quanto di tempo, poi l’esecuzione passa al prossimo job e il primo va in attesa Esecuzione globale più veloce

Durata del quanto di tempo tra 100 e 200 millisecondi granularità molto fine

A ciascun utente sembra di avere la CPU tutta per lui, solo più lenta


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Stati di un processoStati di un processo

Processo

in esecuzione

Processo

in attesa

Processi

pronti

Inizio

esecuzione

Selezione primo processo pronto e sua

esecuzione

Termine quanto di tempo

Completamento operazione di I/O

(evento esterno atteso)

Richiesta di

operazione di I/O


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AttesaAttesa

Se il processo richiede operazioni ad altri dispositivi (es.

Operazioni di I/O), la CPU rimarrebbe inutilizzata

◦ lo scheduler mette il processo in stato di attesa,

◦ il dispatcher sceglie un nuovo processo tra i pronti dalla tabella,

◦ quando l’operazione sarà finita, lo scheduler dichiarerà di nuovo

pronto il processo

Permette un utilizzo molto più efficiente delle risorse di

elaborazione

◦ Esempio:

durante la digitazione di un documento di testo, l’utente compie molte

pause per riflettere sul contenuto che sta scrivendo

questo tempo è usato dal sistema per compiere altre operazioni in

contemporanea (ad es. gestire la ricezione di e-mail)


27

Sistemi mono e multiSistemi mono e multi--processoreprocessore

Time sharing in sistemi mono-processore: multi-tasking (più programmi in esecuzione con una sola CPU)

Sistemi multiprocessore:

◦ le varie CPU possono lavorare contemporaneamente su job diversi

◦ ciascuna CPU opera in multi-tasking


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Bootstrap: avvio del SOBootstrap: avvio del SO

All’inizio, la CPU ha in indirizzo fissato nel registro contatore di programma, che punta all’indirizzo nella ROM (Read Only Memory) ove inizia il programma di bootstrap che è sempre memorizzato lì

L’esecuzione del programma di bootsrap trasferisce il kernel del Sistema Operativo da una parte prestabilita della memoria di massa (hard-disk, floppy-disk, CD-Rom,…) in memoria principale

Quindi l’esecuzione prosegue con un salto all’area di memoria principale contenente il Sistema Operativo (che quindi viene mandato in esecuzione)

Tra le prime operazione del kernel del Sistema Operativo vi sono tipicamente quelle di caricamento di altri componenti software:

◦ driver delle periferiche installate

◦ programmi di sistema lanciati automaticamente all’avvio


29

BootstrapBootstrap


30

MSMS--DOSDOS Sviluppato dalla Microsoft nel 1981 per il PC IBM

Adottato da altri con PC IBM-compatibili

Molto limitato:

◦ mono-utente,

◦ mono-tasking

Circa 50 comandi per il SO:

◦ DIR per vedere il contenuto di una directory

◦ COPY per copiare file

◦ DEL per cancellare un file

◦ REN per cambiare il nome a un file

◦ CD per muoversi in un altra directory

◦ MD per creare nuove directory

◦ RD per cancellare directory

◦ Nome file: per eseguire il file (se eseguibile)

◦ …


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MS Windows MS Windows –– ElementiElementi principaliprincipali

Interfaccia grafica

Mouse che sposta un cursore

Cut & paste (copia e incolla)

Drag & drop (trascina e lascia)

Icone associate a file, directory,

dischi, …

Directory come cartelle

Pulsanti

Finestre: cornici con strumenti

Menu di comandi


32

Breve storia di windows 1/2Breve storia di windows 1/2

Nel 1980 la Microsoft era una piccola società con 40 dipendenti, che fatturava 8 milioni di dollari.

Bill Gates venne contattato dall'IBM, che in quel periodo dominava il mercato degli elaboratori mainframe ed aveva appena iniziato la realizzazione di un personal computer, per scrivere un nuovo sistema operativo.

Nasce così l'MS DOS ed esplode il boom del computer per tutti.

Due anni dopo Bill Gates annuncia la nascita di una prima versione di Windows(1982). Non è un sistema operativo, ma una semplice interfaccia grafica attaccata al DOS molto rozza. Gli utenti cominciano a prendere confidenza con questa nuova dimensione.

A maggio, nel 1990, viene lanciato Windows 3.0 e un anno dopo esce Windows 3.1.

Nel '94 il fatturato è di 4,65 miliardi di dollari.

Nel '95 viene lanciato Windows 95 e i dollari salgono a quasi 6 miliardi. Internet Explorer comincia ad insidiare la posizione di leader tra i browser di Netscape.

Infine nel '98 esce la nuova versione di Windows (Windows 98) e nel frattempo la crescita del sistema operativo di rete, Windows NT, si consolida fino a creare serie minacce a ben più blasonati sistemi.


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Breve storia di windows 2/2Breve storia di windows 2/2 Il successore di windows NT è Windows 2000. Windows 2000 compare in due

versioni: la Professional e la Server. La prima è la soluzione ideale per applicazioni

desktop mentre la seconda per la gestione e l’amministrazioni di reti, domini, ecc.

Con il nuovo millennio si registra l’uscita del nuovo Windows Millennium Edition

(ME), praticamente un Windows 98 SE rivisto nella grafica, potenziato a livello di

funzioni multimediali e nel quale fa la sua definitiva scomparsa il buon vecchio DOS.

Alla fine del 2002 viene presentato Windows XP nelle versioni Home, Professional

e Server. La prima prenderà il posto di Windows ME mentre le altre due sostituiranno

le analoghe versioni di Windows 2000. Windows XP presenta un’interfaccia

completamente ridisegnata, un ottimo supporto alle periferiche attualmente sul

mercato e una grande supporto ai prodotti multimediali non ultimi i videogame grazie

all’integrazione diretta delle DirectX.

Nel 2006 è stata rilasciato Windows Vista. Tra le principali novità: pieno supporto

dei processori a 64 bit (funziona però anche a 32 bit); nuovo motore per l’interfaccia

grafica; funzionalità avanzate di ricerca dei documenti archiviati; maggiore protezione

rispetto agli attacchi informatici.

Nel 2009 arriva Windows 7 ...


34

UnixUnix Sistema Operativo:

◦ multi-utente,

◦ multi-tasking, con time-sharing

Nato negli anni ’60 con un progetto congiunto AT&T e MIT

Concepito per poter funzionare su diverse piattaforme hardware con adattamenti limitati

Interprete dei comandi: shell

◦ testuale

◦ più di 300 comandi, con opzioni

Disponibilità di interfaccia grafica (finestre, mouse, etc.) messa a disposizione da un insieme di moduli separati (sistema X Window)


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LinuxLinux Linux è una delle molte varianti di Unix con la peculiarità di

essere open source (= il cui codice sorgente è liberamente disponibile)

La sua nascita è dovuta in parte alle restrizioni imposte da AT&T all’uso di del codice sorgente di UNIX per la didattica:

◦ hanno indotto Andy Tanenbaum allo sviluppo di MINIX, un implementazione di UNIX per scopi didattici

◦ MINIX ha ispirato Linus Torvalds a realizzare una propria implementazione del kernel UNIX

◦ Il kernel sviluppato da Linus è stato combinato con una suite di programmi UNIX, sviluppati nell’ambito del progetto GNU (iniziativa che ha originato il movimento open source), per formare la prima distribuzione di Linux e renderla disponibile su Internet come software open source

Oggi esistono innumerevoli distribuzioni di Linux, distinte per diverse combinazioni di kernel, interfacce grafiche (le più note sono Gnome e KDE) e programmi di utilità.


36

LinuxLinux

Gnome

KDE


37

MAC OSMAC OS--XX

MAC OS-X è l’ultima generazione di S.O. per i personal computer prodotti da Apple

Abbandonato il precedente sistema operativo Apple ha costruito la nuova generazione del proprio S.O. a partire da una variante di BSD, chiamata Darwin, che rimane open source

A questo nucleo, Apple ha aggiunto componenti proprietari, dall’interfaccia grafica (Aqua) ad una suite di applicazioni e utilities.

Architettura MAC OS-X

Kernel,

gestori di risorse e servizi di base

GUI

Applicazioni


Un esempio pratico: Un esempio pratico:

la grafica computerizzatala grafica computerizzata

Interazione tra HW, SO e CAD

38

Politecnicodi Milano Un esempio pratico: la grafica Un esempio pratico: la grafica

computerizzatacomputerizzata

39

Hard Disk

Sistema Operativo

AutoCAD

File di salvataggio

AutoCAD

RAM

Sistema Operativo

Monitor

Desktop

Accensione del computerAccensione del computer


computerizzata (2)computerizzata (2)

40

Hard Disk

Sistema Operativo

AutoCAD

File di salvataggio

AutoCAD

RAM

Sistema Operativo

AutoCAD

Monitor

Finestra di

AutoCAD

Display window

Attivazione Programma AutoCADAttivazione Programma AutoCAD

000000000000

000000000000

000000000000

000000000000

000000000000

Dati di

AutoCAD

Frame

Buffer



41

Hard Disk

Sistema Operativo

AutoCAD

File di salvataggio

AutoCAD

RAM

Sistema Operativo

AutoCAD

Monitor

Finestra di

AutoCAD

Display window

Generazione di una lineaGenerazione di una linea

Line X1Y1-X2Y2 000000100000

000001000000

000010000000

000100000000

000000000000

Dati di

AutoCAD

Frame

Buffer



42

Hard Disk

Sistema Operativo

AutoCAD

File di salvataggio

AutoCAD

RAM

Sistema Operativo

AutoCAD

Monitor

Finestra di

AutoCAD

Display window

Generazione di un cerchioGenerazione di un cerchio

Line X1Y1-X2Y2

Circle X0Y0-R0000000100000

000111100000

001010010000

000111100000

000000000000

Dati di

AutoCAD

Frame

Buffer



43

Hard Disk

Sistema Operativo

AutoCAD

File di salvataggio

AutoCAD

RAM

Sistema Operativo

AutoCAD

Monitor

Finestra di

AutoCAD

Display window

Salvataggio su fileSalvataggio su file

Line X1Y1-X2Y2

Circle X0Y0-R0000000100000

000111100000

001010010000

000111100000

000000000000

Dati di

AutoCAD

Frame

Buffer

Line X1Y1-X2Y2

Circle X0Y0-R0



44

Hard Disk

Sistema Operativo

AutoCAD

File di salvataggio

AutoCAD

RAM

Sistema Operativo

AutoCAD

Monitor

Finestra di

AutoCAD

Display window

Rimozione della lineaRimozione della linea

Circle X0Y0-R0 000000000000

000111100000

001000010000

000111100000

000000000000

Dati di

AutoCAD

Frame

Buffer

Line X1Y1-X2Y2

Circle X0Y0-R0



45

Hard Disk

Sistema Operativo

AutoCAD

File di salvataggio

AutoCAD

RAM

Sistema Operativo

AutoCAD

Monitor

Finestra di

AutoCAD

Display window

Salvataggio su fileSalvataggio su file

Circle X0Y0-R0 000000000000

000111100000

001000010000

000111100000

000000000000

Dati di

AutoCAD

Frame

Buffer

Circle X0Y0-R0

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