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TECNOLOGIE E PROGETTAZIONE
Il Sistema Operativo Ripasso
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TECNOLOGIE E PROGETTAZIONE
Ripasso Il Sistema Operativo
Sommario
• Concetti di base Sistema Operativo
Risorse
Funzioni e Struttura
Bootstrap, Kernel, Shell
• Gestione dei Processi Processo e PCB
Algoritmi di Scheduling
• Gestione della Memoria Caricamento di un Programma
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Concetti di base
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Ripasso Il Sistema Operativo
Definizione
• Sistema Operativo Software di base, essenziale al funzionamento di
un computer: Gestisce l’hardware del computer
Consente al software applicativo di interagire con le risorse hardware (interfaccia applicazioni-risorse)
Consente all’utente finale di utilizzare il computer senza conoscere i dettagli dell’hardware
(interfaccia utente)
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Rappresentazione grafica
Sistema Operativo
SW applicativo
HW
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Utente
Il funzionamento di un Sistema Operativo può essere rappresentato da un diagramma a livelli:
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Risorse
• Risorse Elementi HW e SW utilizzabili da un programma.
• Risorse Hardware Insieme dei dispositivi hardware effettivamente
utilizzabili da un programma su un computer. Le risorse hardware sono:
Limitate Non sempre accessibili in un certo istante di tempo
Ogni programma necessita di qualche risorsa (CPU, Memoria, …) per la sua esecuzione
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Principali funzioni
Le principali funzioni del Sistema Operativo sono:
Gestione dei Processi
Gestione della Memoria
Gestione dell’I/O (o Gestione delle Periferiche)
Gestione del File System
Gestione dell’Interfaccia (o Shell)
Ogni funzione è realizzata da un modulo software detto gestore, costituito da un insieme di programmi.
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Kernel
Struttura a livelli
La struttura logica di un Sistema Operativo può essere rappresentata da un diagramma a livelli in cui ogni livello si occupa di una specifica funzione:
Gestione dei Processi
Gestione della Memoria
Gestione dell’I/O
Gestione del File System
Gestione dell’Interfaccia
HW
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Struttura a cipolla (Onion skin)
Una rappresentazione alternativa della struttura di un Sistema Operativo è un diagramma a buccia di cipolla (Onion Skin) equivalente a quello a livelli:
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Bootstrap
• Bootstrap Procedura di caricamento del Sistema Operativo. Consta
di una serie di fasi attuate all'accensione del computer: 1. Il BIOS, programma di diagnostica e configurazione
memorizzato su ROM, esegue una serie di test per verificare il corretto funzionamento dell'hardware.
2. Se i test sono andati a buon fine, il BIOS lancia una routine software che sceglie il dispositivo di boot (di solito il disco rigido) da cui avviare il Sistema Operativo.
3. Il controllo passa al dispositivo di boot che carica il kernel del Sistema Operativo in RAM e lo esegue.
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Kernel
Kernel
• Kernel Parte più importante del SO costituita dai livelli più vicini
all’Hardware che comunicano direttamente con esso. Gestisce le operazioni di basso livello.
Il kernel è mantenuto sempre in memoria RAM.
Sistema Operativo
HW
Livello N
Livello N-1
Livello 1
Livello 2
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Kernel
Funzioni nel kernel
• La scelta di quanti livelli e quali funzioni costituiscano il Sistema Operativo, e quali tra essi costituiscano il kernel dipende dalle caratteristiche dello specifico sistema.
• La Gestione dei Processi e la Gestione della Memoria sono sempre parte del kernel poiché fondamentali in ogni Sistema Operativo.
Gestione dei Processi
Gestione della Memoria
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Shell
• Shell (Interfaccia utente) Interfaccia di comunicazione tra l'utente e il Sistema
Operativo. Consente di selezionare ed eseguire funzioni e comandi. Può essere di tipo: GUI (Graphical User Interface) Interfaccia grafica basata su oggetti (Desktop, Icone). Interfaccia utente standard dei moderni Sistemi Operativi.
CUI (Command User Interface) Interfaccia testuale a linea di comando. Standard nei SO più datati, è utilizzabile come opzione
anche in quelli recenti (Prompt dei comandi, Terminale).
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Gestione dei Processi
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Gestione dei Processi
La Gestione dei Processi è la funzione più importante del kernel del Sistema Operativo.
Realizza l’esecuzione dei programmi e l'assegnazione delle risorse da essi richieste.
Affronta problemi quali: • La limitatezza delle risorse utilizzate dai programmi • L'utilizzo efficiente del processore (CPU) • L'esecuzione simultanea di più programmi
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RISORSE
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Processo e PCB
• Processo Programma in esecuzione (su un processore o CPU). E’ entità dinamica rispetto al programma (insieme statico di istruzioni memorizzato su supporto fisico).
Per ogni programma da eseguire su un computer il Sistema Operativo crea uno o più processi.
A ogni processo è associato un insieme di risorse HW (Memoria, Periferiche) e SW da esso utilizzate.
Le informazioni su ogni processo e le sue risorse sono mantenute in RAM in una struttura dati chiamata descrittore di processo (PCB, Process Control Block).
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Multitasking
• Sistema multitasking Sistema Operativo che consente l'esecuzione contemporanea di più processi. I processi sono eseguiti in pseudoparallelismo: si alternano per breve tempo sul processore dando all’utente l’impressione della contemporaneità. Difatti:
Il processore funziona in modo sequenziale, in ogni istante può fisicamente eseguire un solo processo
Un computer possiede di norma un solo processore
Tutti i moderni SO sono multitasking.
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Scheduler
• Scheduler (Schedulatore) Componente software che gestisce nel tempo l’esecuzione dei processi e l'assegnazione delle risorse da essi richieste seguendo opportune strategie.
E' essenziale nel multitasking, ove in ogni istante più processi concorrono all'utilizzo di limitate risorse per la propria esecuzione
Utilizza un modello a stati per i processi
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Stati di un processo (1/2)
• Per gestire più processi in contemporanea, a ciascuno di essi è assegnato in ogni istante di vita uno stato che ne descrive la situazione attuale: New (nuovo) Ready (pronto) Running (esecuzione) Wait (attesa) Terminate (terminato)
• Al lancio di un programma lo scheduler crea un processo New ponendolo in stato Ready in una Coda dei processi.
• Quando lo scheduler decide che un processo in coda ne ha i requisiti lo manda in effettiva esecuzione (Running).
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Stati di un processo (2/2)
• Un processo in esecuzione può interrompersi per scelta propria (in mancanza di risorse necessarie) o su richiesta esterna dello scheduler ponendosi in stato Wait. L’esecuzione riprenderà in seguito.
• Terminata l’esecuzione il processo è in stato Terminate.
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Ready Running
Wait
Terminate New
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Algoritmi di Scheduling (1/4)
• Algoritmo di scheduling Strategia di scelta del processo da eseguire utilizzata dallo Scheduler per garantire il multitasking. Ne esistono varie tipologie, ciascuna con vantaggi e svantaggi. I principali sono: FCFS (First Come, First Served)
SJF (Shortest Job First)
Priority
Round Robin
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Algoritmi di Scheduling (2/4)
• FCFS (First Come, First Served) I processi sono eseguiti in ordine di arrivo: la Coda dei Processi funziona come una lista FIFO. + Semplice da implementare. - Un processo lungo può bloccare indefinitamente la CPU.
• SJF (Shortest Job First) E' eseguito per primo il processo più breve in termini di tempo totale di esecuzione. Richiede una stima dei tempi di utilizzo di CPU da parte dei processi in Coda. + Ottimizza il tempo di utilizzo di CPU. - Un processo lungo può attendere indefinitamente in coda. - E' difficile stimare con esattezza l'utilizzo della CPU.
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Algoritmi di Scheduling (3/4)
• Priority (First Come, First Served) I processi sono eseguiti in ordine di priorità. Richiede una preventiva assegnazione di un livello di priorità a ciascun processo da parte del SO. + Ottimizza l'esecuzione. - Un processo a bassa priorità può attendere
indefinitamente in coda.
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Algoritmi di Scheduling (4/4)
• Round Robin E' assegnato a priori un tempo massimo di esecuzione (time slice). Tutti i processi in Coda sono eseguiti in modo circolare per un time slice; se non è sufficiente, il processo è sospeso e si passa al successivo. + E' il più onesto nel condividere il processore. - E' difficile scegliere in modo ottimale il time slice in base
alle esigenze dei processi.
Nessuno tra gli algoritmi previsti è ottimale e tutti presentano svantaggi: nella pratica i SO usano una combinazione di essi
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Gestione della Memoria
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Gestione della Memoria
La Gestione della Memoria è una delle funzioni di base del Sistema Operativo.
Consiste nell’assegnare ai processi la porzione di RAM necessaria all’esecuzione e provvedere al loro caricamento.
Si occupa di risolvere problemi quali: • La limitata dimensione della RAM • La corretta strategia di assegnazione dello spazio in RAM • La possibilità che la RAM sia insufficiente a contenere
tutti i processi da eseguire
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RAM Processo
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Memoria Centrale e di Massa
La Memoria del Computer è di due principali tipologie:
• La Memoria Centrale (RAM) è essenziale per il funzionamento dei programmi ma limitata in dimensioni e utilizzabile solo a computer acceso.
• La Memoria di massa (Tipicamente: Disco Rigido) memorizza i programmi a lungo termine.
Ogni programma è caricato dalla memoria di massa (file eseguibile) in memoria centrale (processo) per l’esecuzione.
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MEMORIA DI MASSA RAM
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Caricamento di un Programma
Per caricare un programma (file eseguibile) in RAM (processo) il Sistema Operativo: 1. Crea un processo associato all'eseguibile 2. Verifica gli indirizzi di memoria indicati sull'eseguibile,
espressi di solito in forma relativa (indirizzi logici) 3. Utilizza un dispositivo Hardware detto MMU (Memory
Management Unit) per trasformare gli indirizzi logici in forma assoluta (indirizzi fisici). L'operazione è detta address binding.
4. Carica il processo in RAM seguendo una opportuna strategia di ottimizzazione. Questa operazione è detta allocazione della memoria.
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