Informatica B

Allievi Elettrici - AA 2000-01

L’architettura di un calcolatore

e il sistema operativo

L’architettura di un calcolatore

CPU

RAM ROM

MEMORIACENTRALE

HD TASTIERA MONITOR STAMPANTE

IN/OUT INPUT OUTPUT OUTPUT

BUS INDIRIZZI

BUS DATI

BUS DI CONTROLLO

INTERFACCE

UNITA’PERIFERICHE

- Architettura del calcolatore -HD

I/O

tastiera

Input Output Output

Monitor

Stampante

La CPUContiene gli elementi circuitali che regolano il funzionamento

dell’elaboratore: – L’unità di controllo e’ responsabile della decodifica e

dell’esecuzione delle istruzioni. E' la parte che "dirige" l'esecuzione di tutte le altre parti.

– L’orologio di sistema (clock) permette di sincronizzare le operazioni temporizzando il funzionamento del computer.

– L’unità aritmetico-logica (ALU) realizza le operazioni aritmetiche e logiche eventualmente richieste per l’esecuzione dell’istruzione. E’ priva di facoltà di scelta.

– I registri sono piccole memorie velocemente accessibili, utilizzate per memorizzare risultati parziali o informazioni necessarie al controllo. L’insieme dei valori contenuti nell'insieme di tutti i registri in un dato istante della computazione viene chiamato contesto.

I registri piu’ importanti• L’accumulatore (uno o due) contengono gli operandi e i risultati delle

operazioni della ALU

• Il contatore di programma (PC, Program Counter) Contiene sempre l’indirizzo della prossima istruzione del programma (SALTI!!!).

• Il registro dati E’ lungo come una parola di memoria ed è utilizzato, nella lettura e scrittura da essa o da e per le periferiche, come una sorta di “deposito” dell’informazione. A questo registro accede il bus dati.

• Il registro indirizzi Serve ad indirizzare la memoria. Ciascuna cella di memoria può essere indirizzata: capacità dell’elaboratore di selezionare una particolare cella di memoria. Chiamiamo parola ogni elemento di memoria indirizzabile. Il compilatore assegna ad ogni operando in memoria un indirizzo.

• Il registro istruzione corrente (RIC) Contiene, istante per istante, l’istruzione che risulta in esecuzione da parte dell’elaboratore. La dimensione del registro istruzione è (generalmente) quella del bus dati.

Formato delle istruzioni

Costituito da tre campi:

• il codice operativo (obbligatorio) specifica l’operazione da eseguire,

• l’operando (facoltativo) è diviso in indirizzi degli oggetti, cioè le variabili, da utilizzare

• FORMATO ISTRUZIONE:

Cod. operativo Operandi

Fasi del ciclo di CPU• Fetch:

– PC contiene indirizzo prossima istruzione

– acquisizione prossima istruzione da memoria (nel RIC)

– incremento PC

• Decodifica: interpretazione codice operativo

• Esecuzione: attivazione esecuzione pertinente all’operazione. Es: operazioni AL su operandi (indirizzi), o operazione di salto (modifica PC)

• Temporizzazione scandita dal clock: ad ogni “tick” un passo elementare

Il bus di sistema• Insieme di connettori (conduttori elettrici) che trasportano

bit di informazioni collegando fra di loro l’unità di elaborazione, la memoria e le varie interfaccie di ingresso/uscita.

• I trasferimenti sono gestiti dalla CPU (modalita’ master/slave) e si chiamano cicli del bus, che con la sua capacità ne determina la velocità.

• Componenti:• BUS DATI

• BUS INDIRIZZI

• BUS DI CONTROLLO

La memoria centrale• accoglie il “materiale di lavoro”, e cioe' dati e programmi

• di dimensioni ridotte (dell’ordine di Megabyte)

• tempi di accesso: dell’ordine delle decine di nanosecondi (circa 1 milione di volte piu’ veloce delle memorie di massa)

• prima di poter essere elaborata, l’informazione deve essere acquisita dalla memoria centrale e caricata in uno dei registri della CPU

• insieme ordinato di parole (celle) che contengono istruzioni e dati

• una parola = n elementi di memoria binari (8, 16, 32, 64 bit)

• la posizione di ogni parola è identificata da un indirizzo

• la capacità di indirizzamento in memoria è definita dalle dimensioni del bus indirizzi e del registro indirizzi

• ad accesso diretto (random)

Parti della memoria centrale

La memoria RAM : e’ realizzata mediante circuiti a transistori, è modificabile, cioè leggibile e scrivibile, ma è volatile e quindi deve essere continuamente alimentata per mantenere le informazioni. All’accensione il suo contenuto e’ una sequenza casuale di 0 e 1.

La memoria ROM: E’ solo leggibile: le informazioni sono di solito scritte in modo permanente dal costruttore. viene quindi caricata al momento della produzione del computer vi si accede ogni qualvolta questo viene acceso contiene il bootstrap, un programma contenente le prime istruzioni che

la CPU deve compiere

Componenti del bus di sistema

• BUS DATI: trasferisce dati da master a slave e viceversa

• BUS INDIRIZZI: trasferisce indirizzi, ad esempio l’indirizzo di un dato dal registro indirizzi alla memoria, per accedere al dato stesso

• BUS DI CONTROLLO: – da master a slave: codice dell’istruzione da eseguire

(es. lettura da disco);

– da slave a master: info sul successo dell’operazione

Le interfacce verso le periferiche

• Dispositivi elettromeccanici• Costituite da:

– porte di I/O: registri scrivibili e/o leggibili dalle periferiche: registro dati periferica, registro comandi periferica (RCP), registro stato periferica

– circuiti ausiliari

Le memorie di massa

• Informazione memorizzata su supporto magnetico (o ottico)

• Memoria permanente: le informazioni sono raggruppate in file gestiti dal sistema operativo

• Dischi rigidi: Tempi di accesso dell’ordine delle decine di millisecondi; floppy disk: dell’ordine delle centinaia di millisecondi

• Nastri: Per memorizzare informazioni “storiche” (back-up)

• CD-ROM: sola lettura

Struttura dei dischi rigidi-testine-superfici-tracce-cilindri-settori

Esempio di istruzioni in assembler Codice binario Codice operativo simbolico

0000 LOADA

0001 LOADB

0010 STOREA

0011 STOREB

0110 ADD

0111 DIF

1010 JMP

1011 JMPZ

1100 NOP

1101 HALT

0100 READ

0101 WRITE

Cicli di bus: esempi• Operazione di lettura da memoria (LOAD):

– la CPU carica indirizzo della parola di memoria (operando del RIC) nel registro indirizzi e lo trasmette alla memoria via bus indirizzi

– la CPU invia il comando di RM sul bus di controllo– la memoria trasmette sul bus dati il contenuto della parola verso il registro dati– la memoria segnala al processore sul bus di controllo che l’operazione e’ stata

completata con successo: il dato si trova nel registro dati• Operazione di scrittura in memoria (STORE):

– la CPU carica indirizzo della parola di memoria dove si vuole scrivere (operando del RIC) nel registro indirizzi e lo trasmette alla memoria via bus indirizzi

– la CPU carica nel registro dati la parola da scrivere in memoria– la CPU invia il comando di WM sul bus di controllo– la CPU trasmette sul bus dati il contenuto del registro dati verso l’indirizzo di memoria

segnalato.– la memoria segnala al processore sul bus di controllo che l’operazione e’ stata

completata con successo: il dato si trova nella parola di memoria destinazione

Piccolo esempio di programma

assembler Cella di mem. Cod. Oper. Operando

0 INPUT 8

1 INPUT 9

2 LOADA 8

3 LOADB 9

4 MUL

5 STOREA 8

6 OUTPUT 8

7 HALT

8 (INT)

9 (INT)

Il Sistema Operativo• programma di grandi dimensioni e complessità

che permette all’utente di interagire col sistema• sviluppo di un S.O.: centinaia di anni-uomo• poca teoria, solo in alcune aree:

• perché prima sviluppo tecnologico, poi teorizzazione

• perché aspetti non di calcolo ma di ottimizzazione, gestione di interazione, gestione di malfunzionamenti etc.

• perché problema intrinsecamnete complesso e interdisciplinare

• complessità estrema: studio per livelli di macchine astratte per ragionare a diversi livelli di astrazione

Funzioni di un S.O.

• Relazione Macchina/Utente: – comandi espliciti, da tastiera – comandi interni, da programma

• Funzioni:– Gestione lavori– Supporto per la programmazione– Meccanismi di I/O– Gestione archivi (file)

Gestione lavori• Riconoscimento degli utenti: login, password,…

• Assegnazione risorse: periferiche, memoria di massa..

• Accounting (costo di esecuzione dei programmi)

• Attivazione sequenze di azioni: ad esempio» caricamento file XXX.C in memoria» caricamento compilatore c in memoria» attivazione compilazione e gestione file oggetto XXX.obj» ripetiz. questi passi per ogni sottoprogramma» attivazione linker e gestione file XXX.exe» attivazione loader » assegnazione risorse al programma (memoria e CPU)» terminazione lavoro e rilascio risorse

Supporto per la programmazione

Messa a disposizione di:• Editors: normali, WordProcessors, guidati dalla sintassi

• Debuggers: breakpoints, step-by-step, dump registri

• Librerie: funzioni matematiche, funzioni grafiche, etc.

• Programmi per la gestione di grandi progetti: cataloghi, versioni etc.

Meccanismi di I/O

Il S.O. permette di vedere le periferiche:• più numerose: maschera conflitti su periferiche

condivise

• più potenti: primitive di alto livello

• più affidabili: gestione malfunzionamenti

Il Modello a Buccia di Cipolla di un S. O.

HW

Nucleo (gestione dei processi)

Gestione della memoria centrale

Gestione periferiche

File system

Programmi di utilita’

Interprete comandi

GESTIONE DEI PROCESSI: IL NUCLEO

• Il termine processo fa riferimento a un programma durante la sua esecuzione;

• Un processo è un oggetto dinamico che evolve nel tempo, contrapposto a un programma che è un oggetto statico ed invariante nel tempo.

• Nel contesto dei sistemi operativi, l’unità di elaborazione che esegue i processi è detto processore.

• In un sistema a processi, uno solo dei processi può essere in esecuzione in un certo istante, cioè eseguito dal processore.

• Gli altri processi sono rispettivamente pronti oppure in attesa. I primi possono andare in esecuzione immediatamente, i secondi devono attendere il verificarsi di un evento esterno per passare in stato di pronto.

Stati di un processo

In esecuzione Pronto

In attesa

Attivo

RELAZIONI TRA PROCESSI• I processi devono essere sincronizzati, cioè le loro attività

devono essere coordinate. • Il coordinamento più semplice è quello sequenziale: un processo

termina invocando l’attivazione di un altro processo. • Sincronizzazioni più complesse:

– cooperazione = interazione desiderata e prevista– competizione = conflitto tra due programmi per l’assegnazione di una

stessa risorsa.

• Due modi per sincronizzarsi: la condivisione di variabili, in modo da creare un’area di memoria comune

da utilizzare a turno; lo scambio di messaggi attraverso la condivisione di un canale.

Operazioni di input/output

Si dividono in due sottocasi: L’informazione da parte della unità di input (o di

output) del suo stato di pronto; La richiesta da parte del programma di dati di

input (o la segnalazione di voler rilasciare dei dati in output): interruzione interna o sincrona o anche chiamata a supervisore (SVC).

POLITICHE DI GESTIONE

DELL’UNITA’ DI ELABORAZIONE Un processo attivo può essere arrestato di

autorità dal nucleo per seguire ciascun programma utente entro un tempo approssimativamente proporzionale alla complessità del programma, senza creare ingiustizie.

La gestione della memoria centrale(memoria virtuale)

• Una parte della memoria è dedicata al sistema operativo (Supervisor mode), ed il resto ai processi utente (User mode).

• Problemi da risolvere:– definire delle tecniche per suddividere la memoria tra i vari processi

– assegnare una o più porzioni a ciascun processo, attuando la migliore politica di gestione nel tempo

– rilocare i programmi, cioè trasformare gli indirizzi logici, presenti nei programmi, in indirizzi fisici, corrispondenti alle locazioni di memoria ove i programmi sono stati caricati

• Principali meccanismi di suddivisione della memoria:– segmentazione

– paginazione

Rilocazione

Gli indirizzi di un programma eseguibile possono presentarsi in due modi:

in formato assoluto, cioè calcolati a partire da una specifica cella di memoria;

in formato rilocabile, cioè calcolati come se il programma dovesse essere caricato in memoria a partire dalla cella zero.

Politiche di gestione della memoria centrale

Scelta delle pagine da scaricare: 2 principi:• località spaziale: favorire il mantenimento in memoria centrale di aree di

memoria vicine a quella che il processo sta già usando, perché gli accessi tendono a concentrarsi in zone vicine tra loro (es. arrays, codice etc.)

• località temporale: favorire il mantenimento in memoria centrale delle aree usate più di recente (Least Recently Used) perché si ritiene verranno usate di nuovo in futuro

• Per la paginazione si può decidere a priori di assegnare ad ogni programma un numero fisso di pagine oppure si decide volta per volta.

• Nel caso dei segmenti si usa il cosiddetto BEST FIT , ovvero si alloca a ciascun programma il più piccolo segmento libero di memoria che lo contiene.

GESTORE DELLE PERIFERICHE VIRTUALI

• Si occupa di far credere all’utente di avere a disposizione delle periferiche più potenti, più affidabili e più numerose di quanto siano effettivamente, cioè permette all’utente di utilizzare dei comandi di alto livello.

• I comandi che si rivolgono alle periferiche sono primitive (comandi messi a disposizione dal sistema operativo) di alto livello.

• I meccanismi di gestione delle periferiche includono: driver fisici (hardware): attivati direttamente dal gestore delle interruzioni per

eseguire le operazioni di trasferimento e manipolazione dei dati; driver logici (software): forniscono la traduzione da primitive di alto livello a

comandi di basso livello per i driver fisici (servono come interfaccia tra il programma utente e il driver fisico);

spooling system: sottosistema usato dalle stampanti per gestire code di richieste di stampa e non tenere in memoria dati inutili;

file speciali: la gestione della periferica da parte dell’utente assomiglia a quella di un file.

Gestione archivi (file)

• Accesso ai file in modo logico: meccanismo

nome /indirizzo

• Privatezza: gestione autorizzazioni

• Affidabilità: integrità dei files in caso di malfunzionamento

Il FILE SYSTEM• Permette a un utente di creare un file, identificarlo con un nome

simbolico, collegare il suo nome con la sua posizione in un opportuno spazio nella memoria di massa e accedervi in lettura e scrittura.

• Maschera le caratteristiche fisiche dell’unità di memorizzazione• Realizza dei meccanismi di controllo per gestire la concorrenza

sui file. • Particolari informazioni inerenti il file sono contenute nei

descrittori, come ad esempio il nome, l’indirizzo del primo blocco (o settore), il metodo di accesso, il creatore, i diritti di accesso, la data di creazione e dell’ultima modifica.

Le directory

• I file vengono organizzati in strutture, dette directory, organizzate ad albero.

• Ciascuna directory ha un unico nodo radice (root).

• L’intero file system ha un proprio nodo radice al di sotto del quale si aprono varie directory che ospitano programmi di sistema e file di utente.

• L’accesso ai file, avvenendo attraverso il nome del file stesso, è possibile attraverso il path name, un nome completo che include l’intero cammino dalla radice al file.

Operazioni sui file Operazioni di gestione

– open (filename, mode) Per aprire un file.

– close (filename) Per chiudere un file.

– remove(filename) Per cancellare un file.

– rename(filename,newname) Per cambiare nome ad un file.

• Operazioni di lettura e scrittura• read

• write

I programmi di utilita’

• I programmi dell’ambiente di programma-zione

• Gli strumenti di produttività (editor, fogli elettronici,..)

• I sistemi di gestione di basi di dati

• I sistemi per l’interazione con la rete...