Introduzione Idoneita Informatica` Un Po’ di...

IntroduzioneUn Po’ di Storia

Classificazioni dei SOFunzionalita

Windows

Idoneita InformaticaSistemi Operativi

D. Gubiani

Universita degli Studi G.D’Annunzio di Chieti-Pescara

23 marzo 2006

Idoneita Informatica: Sistemi Operativi D. Gubiani 1



Windows

1 Introduzione

2 Un Po’ di Storia

3 Classificazioni dei SO

4 FunzionalitaGestore dei ProcessiGestore della Memoria CentraleGestore della Memoria SecondariaGestore del Sistema di I/O

5 Windows




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Software

Il software e l’insieme dei programmi che possono essereeseguiti su un sistema di elaborazione

Un programma e una sequenza di istruzioni elementari chepossono essere eseguite dal sistema di elaborazione

Ogni programma lavora su un insieme di informazioni (input)e fornisce dei risultati (output)




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Software e Sistema Operativo

Il software viene suddiviso in due categorie:

- software di base: dedicato alla gestione delle funzionielementari dell’elaboratore

- software applicativo: dedicato alla soddisfazione di particolariesigenze dell’utente

Il sistema operativo e il componente principale del software dibase




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Sistema Operativo (SO)

Il sistema operativo (SO) e il programma che gestisce le varierisorse fisiche dell’elaboratore svolgendo diversi compiti chedipendono dalla complessita del particolare SO

Un SO opera su due livelli

- gestisce le risorse del sistema di elaborazione- fornisce l’interfaccia uomo-macchina




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Un Po’ di Storia - 1

I SO trovano origine verso la fine degli anni ’40

I primi SO erano dei sistemi dedicati

- erano in grado di gestire un solo programma per voltacompletamente residente in memoria e a cui venivanodestinate tutte le risorse

- supportava operazioni di assemblaggio, caricamento,inizializzazione e terminazione di programmi e la gestione sisemplici operazioni di I/O

Verso la fine degli anni ’50 nascono i sistemi a lotti (obatch)

- raccolgono i lavori (job) presentati da diversi utenti e lieseguono in rapida successione

- eliminano i tempi morti provocati dal caricamento manuale- i lavori continuano a dover essere ”autonomi”




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Verso gli anni ’60 cercando di eliminare i tempi morti delprocessore nascono i sistemi a partizione di tempo (o timesharing)

- assegna il processore ad un altro lavoro ogniqualvolta quello inelaborazione dovesse fermarsi in attesa che si concludaun’operazione di I/O, per poi riprenderlo appena possibile

- scaricamento e caricamento dei programmi in memoriaappesantisce il lavoro del SO

Un immediato passo avanti con l’introduzione dei sistemi aquanto di tempo (o time slice)

- assegna il processore a turno ai diversi lavori per un certotempo




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Arrivarono poi i sistemi multiprogrammati

- consentono la presenza simultanea di piu programmi inmemoria

- nascono problemi di protezione e condivisione

I sistemi in tempo reale (real time) sono quei sistemi in cuisono richiesti rigidi vincoli di tempo sull’esecuzione deiprocessi o sul flusso dei dati

Le macchine virtuali sono quei sistemi che danno all’utentel’impressione di avere a disposizione tutte le risorse di cuinecessitano le quali sono simulate servendosi delle risorse delcalcolatore reale




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I sistemi interattivi, diversamente da quanto avviene per isistemi batch, danno all’utente la possibilita di condurre unvero e proprio colloquio con il sistema in modo da poterseguire e apportare le modifiche necessarie durantel’evoluzione dei vari passi

Infine, i sistemi distribuiti danno la possibilita di distribuirel’esecuzione dei processi su diversi elaboratori fisici e dicondividere fra questi diverse risorse




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Classificazione di SO: Lavori

A seconda del numero di lavori che possono eseguirecontemporaneamente

Monotasking

- un solo lavoro alla volta- esempi: sistemi dedicati, a lotti

Multitasking

- elaborano piu lavori in contemporanea- esempi: sistemi time-sharing, time-slice




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Classificazione di SO: Interfaccia - 1

In base al metodo con cui l’utente interagisce con la macchina,attraverso quella che viene detta interfaccia uomo-macchina

Ad interfaccia testuale

- l’utente da i comandi alla macchina attraverso linee dicomando (stringhe di caratteri)

- poca memoria, velocita elevata, completezza dei comandi adisposizione

- difficolta nel ricordare i comandi- esempi: MS-DOS




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Classificazione di SO: Interfaccia - 2

Ad interfaccia grafica (GUI)

- l’utente da i comandi alla macchina attraverso la selezionedell’immagine legata all’operazione richiesta

- facilita d’uso, trasparenza rispetto all’hardware- pesantezza del sistema, disponibilita comandi graduale- esempi: Windows

Ad interfaccia fisica

- l’utente da i comandi alla macchina tramite movimenti dicomponenti fisici

- semplicita di attivazione dei comandi- limitatezza e personalizzazione delle funzionalita messe a

disposizione- esempi: robot utilizzati nelle fabbriche




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Gestore dei ProcessiGestore della Memoria CentraleGestore della Memoria SecondariaGestore del Sistema di I/O

Funzionalita

Le funzionalita (componenti) di un SO sono diverse:

- gestione dei processi- gestione della memoria centrale- gestione della memoria secondaria- gestione del sistema di I/O




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Gestione dei Processi (o dell’Unita diElaborazione) - 1

Un processo puo essere pensato come un programma inesecuzione

Per svolgere i propri compiti, un processo necessita di alcunerisorse

- tempo di processore- memoria- file- dispositivi di I/O




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Gestione dei Processi (o dell’Unita diElaborazione) - 2

Il SO, nella componente gestore dei processi, si occupa di:

- creare e cancellare processi (utente e di sistema)- sospendere e ripristinare processi- fornire meccanismi per la sincronizzazione dei processi- fornire meccanismi per la comunicazione fra processi- fornire meccanismi per la gestione dei deadlock




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Processi - 1

Un processo e qualcosa di piu del semplice codice di unprogramma

- attivita attuale indicata dal PC (Program Counter)- contenuto dei registri del processore- stack dei dati temporanei- dati che contengono variabili globali

In linea di principio ad ogni programma viene associato unprocesso ma in certi contesti un programma potrebbe esseresuddiviso in piu processi




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Processi - 2




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Stati dei Processi - 1

Un processo attraversa diversi stati




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Stati dei Processi - 2

Gli stati possono essere cosı descritti:

- Running: il processo e in esecuzione- Waiting: il processo e in attesa di qualche evento esterno (e.g.,

completamento operazione di I/O); non puo essere eseguito- Ready: il processo puo essere eseguito, ma attualmente il

processore e impegnato in altre attivita

Un solo processo per volta occupa il processore

Gli altri processi possono o essere pronti per andare inesecuzione o essere in attesa del termine di qualcheoperazione di I/O




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Esecuzione dei Processi - 1

Il processo puo essere cosı sintetizzato:

- quando il processo entra nel sistema viene messo nella coda deiprocessi

- i processi che risiedono in memoria e sono pronti per essereeseguiti vengono messi nella lista dei processi pronti (readyqueue)

- dalla lista dei processi pronti i processi passa in esecuzione perun certo tempo, finche termina, o viene interrotto, o resta inattesa di un altro evento




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Diversi processi possono rimanere in attesa che uno stessodispositivo (es. disco) gli venga assegnato e ogni dispositivoha la propria coda




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Durante l’esecuzione di un processo sialternano

- periodi di attivita svolte dalla CPU(CPU burst)

- periodi di attivita di I/O (I/O burst)

I processi caratterizzati da

- CPU burst molto lunghi si dicono CPUbound

- I/O burst molto lunghi si dicono I/Obound




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Scheduling dei Processi

Lo scheduler e il componente incaricato di selezionare iprocessi dalle code

- a lungo termine: seleziona i processi dalla coda dei processi e licarica in memoria (ready queue)

- a breve termine: seleziona i processi dalla ready queue e lialloca alla CPU




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Scheduler a Breve Termine - 1

Ogni volta che il processore resta inattivo seleziona unprocesso dalla ready queue e glielo alloca

Diversi criteri possono essere considerati

- utilizzo di CPU: la CPU deve essere piu attiva possibile (max)- throughput: numero di processi che completano la loro

esecuzione per unita di tempo (max)- tempo di turnaround: tempo impiegato per l’esecuzione di un

determinato processo (min)- tempo di attesa: tempo durante il quale un processo si e

trovato nella coda ready (min)- tempo di risposta: tempo che intercorre tra la sottomissione di

una richiesta e la prima risposta prodotta (min)




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Scheduler a Breve Termine - 2

Esistono diversi algoritmi di scheduling a breve termine

- sch. First-Come, First-Served (FCFS)- sch. Short-Job-First (SJF)- sch. Round-Robin- sch. con priorita- sch. round-robin- sch. con code multiple- sch. con code multiple con feedback

Si distinguono algoritmi

- non preemptive: il processo corrente esegue fino alcompletamento del suo CPU burst

- preemptive: il processo corrente puo essere messo nella codaready se arriva un processo che ha pa precedenza sul processore




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Algoritmo FCFS

Il processo che arriva per primo, viene servito per primo (nonpreemtive)

L’implementazione e semplice e puo essere fatta tramite unacoda (politica FIFO)

Gli svantaggi dell’algoritmo sono gli elevati tempi medi diattesa e di turnaround e il fatto che i processi CPU boundritardano i processi I/O bound




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Algoritmo Round-Robin

E’ basato sul concetto di quanto di tempo (o time slice) inquanto un processo non puo rimanere in esecuzione per untempo superiore alla durata del quanto di tempo

La durata del quanto di tempo e un parametro critico delsistema

- se il quanto di tempo e breve, il sistema e meno efficienteperche deve cambiare il processo attivo piu spesso

- se il quanto e lungo, in presenza di numerosi processi pronti cisono lunghi periodi di inattivita di ogni singolo processo




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Sincronizzazione e Sistemi Multiprocessore

Il gestore dei processi deve anche occuparsi dellasincronizzazione dei processi

Nei sistemi multiprocessore ha anche il compito di gestire ilflusso dei processi ai vari processori




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Gestione della Memoria Centrale - 1

La memoria centrale, come la CPU, e una risorsa limitata chedeve essere suddivisa tra i vari processi in competizione

Un programma per essere eseguito deve risiedere in memoriacentrale

Per migliorare l’utilizzo della CPU e necessario che diversiprocessi siano caricati in memoria

Il SO deve occuparsi del modo in cui i singoli processi devonooccupare la memoria centrale




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Gestione della Memoria Centrale - 2

Il gestore della memoria centrale e responsabile di diverseattivita

- tener traccia delle parti di memoria occupata e da chi- decidere quali processi caricare in memoria quando c’e spazio

disponibile- allocare e deallocare spazio in memoria




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Binding

Con il termine binding si indica l’associazione di indirizzi dimemoria ai dati e alle istruzioni di un programma

Il binding puo avvenire

- durante la compilazione: gli indirizzi restano gli stessi ad ogniesecuzione

- durante il caricamento: gli indirizzi vengono aggiornati ad ognicaricamento in memoria

- durante l’esecuzione: gli indirizzi sono individuati nel momentoin cui avviene l’esecuzione




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Indirizzi Logici e Indirizzi Fisici

Indirizzi logici: gli indirizzi utilizzati dai processi

Indirizzi fisici: riferiti alla memoria fisica

Ad ogni indirizzo logico corrisponde un indirizzo fisico




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Allocazione della Memoria

L’allocazione della memoria e una delle funzioni principali delgestore della memoria

Consiste nel reperire e assegnare uno spazio di memoria fisica




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Tipi di Allocazione della Memoria - 1

Allocazione si distingue in

- contigua: tutto lo spazio assegnato a un processo deve essereformato da celle consecutive

- non contigua: e possibile assegnare a un processo aree dimemoria separate


- statica: un processo deve mantenere la propria area dimemoria dal caricamento alla terminazione

- dinamica: durante l’esecuzione un processo puo esserespostato da un’area ad un’altra




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Tipi di Allocazione della Memoria - 2


- a partizioni fisse: la memoria (quella non occupata dal SO)viene suddivisa in partizioni fissate a priori

- a partizioni dinamiche: la memoria viene partizionata sullabase dei processi che ne fanno richiesta




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Allocazione a Partizioni Fisse

Nei sistemi monotasking esiste una solapartizione e un processo per volta viene inesso caricato

Nei sistemi multitasking ogni processoviene caricato in una delle partizioni liberecon dimensioni sufficienti per contenerlo

- se un processo occupa una dimensioneminore della partizione ad esso assegnatac’e spreco di spazio (problema dellaframmentazione interna)




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Allocazione a Partizioni Dinamiche - 1

La memoria disponibile viene assegnata, nella quantitarichiesta, ai processi che ne fanno richiesta

E un’allocazione statica e contigua

Problema della frammentazione esterna: dopo un certonumero di allocazioni e deallocazioni lo spazio risultasuddiviso in piccole aree

- lo spazio complessivamente libero potrebbe contenere unprocesso ma non esiste un’area contigua per contenerlo




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Soluzione: compattazione

- operazione onerosa




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Paginazione - 1

La paginazione e una tecnica introdotta con l’obiettivo dieliminare i problemi della frammentazione

- riduce la frammentazione interna- elimina la frammentazione esterna

Lo spazio logico e quello fisico vengono divisi in blocchi diuguale dimensione, dette pagine (spazio logico) e frame(spazio fisico)

Ad ogni pagina viene associato un frame




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Paginazione - 2




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Paginazione - 3




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Memoria Virtuale

Spesso succede che solo una parte di un processo sia inseritain memoria

Quando sono necessarie altre informazioni queste vengonocaricate, eventualmente scaricando quelle esistenti

In questo modo gli utenti hanno l’impressione di avere adisposizione piu memoria di quella reale e si parla di memoriavirtuale




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Gestione della Memoria Secondaria - 1

Dal momento che la memoria centrale e troppo piccola permantenere tutti i dati e i programmi, c’e la necessita didisporre del supporto della memoria secondaria

I programmi rimangono in memoria secondaria fino alcaricamento in memoria centrale

La memoria secondaria viene utilizzata sia come sorgente chedestinazione




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Gestione della Memoria Secondaria - 2

Il gestore della memoria secondaria e responsabile di diverseattivita

- gestione dello spazio libero- allocazione dello spazio- scheduling del disco




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File System

Il file system fornisce il meccanismo per la memorizzazione el’accesso di dati e programmi

Consiste di due parti

- collezione di file- struttura di directory

Alcuni file system prevedono le partizioni




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File - 1

Un file e un insieme di informazioni correlate e registrate nellamemoria di massa

In generale un file e formato da una sequenza di bit, byte,record... il cui significato e definito dal creatore

Ogni file ha associato un nome

Per supportare la gestione dei tipi di file il nome dei file e ingenere suddiviso in due parti

nome.estensione




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File - 2

estensione tipo di file

.exe .com file eseguibili

.bat file batch

.txt documenti di testo

.doc .mdb .xls .ppt documenti del pacchetto Office

.htm .html pagine web (documenti html)

.jpg .gif .png .eps .bmp immagini

.mid .mp3 .wav audio




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File - 3

Altri attributi dei file sono la locazione, la dimensione, la datae ora di creazione...




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File - 4

Operazioni di base sui file

- creazione- scrittura- lettura- cancellazione




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File - 5

I file memorizzano informazioni che al momento dell’utilizzo enecessario poter accedere e leggere

Diversi metodi di accesso

- accesso sequenziale (nastri)- accesso diretto (dischi)- accesso mediante indice (database)




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Struttura di Directory - 1

La directory registra le informazioni (nome, posizione,dimensione, tipo) di tutti i file contenuti in memoriasecondaria

E una tabella di simboli che traduce i nomi dei file nelleinformazioni in essa contenuti

Operazioni principali

- ricerca di un file- creazione di un file- cancellazione di un file- listare un file- rinomina di un file- attraversamento del file system




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Struttura di Directory - 2

Diverse sono le possibili strutture di una directory

- a singolo livello- a due livelli- ad albero- a grafo aciclico- a grafo generale




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Struttura ad Albero




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Struttura a Grafo Aciclico




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Partizioni

Il file system puo essere molto grande ed alcuni sistemioperativi permettono la suddivisione in partizioni

Una partizione consiste in una suddivisione logica dellamemoria secondaria

Ogni partizione contiene le informazioni sui file in essacontenuti che vengono mantenuti nella directory deldispositivo




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Protezione

La protezione delle informazioni e un elemento fondamentalenella gestione delle informazioni

La protezione puo essere

- contro danni fisici- contro l’accesso improprio




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Affidabilita del Sistema Operativo

La protezione contro i danni fisici puo essere tradotta intermini di affidabilita del sistema operativo

In genere e assicurata dalla presenza di piu copie dei file

Il backup e la procedura di copia di uno o piu file dellamemoria secondaria per eseguire operazioni di reinstallazionee/o ripristino




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Protezione contro l’accesso improprio - 1

La protezione contro l’accesso improprio puo essereconsiderata come la protezione vera e propria

Il problema della protezione nasce nei sistemi multi utente ederiva dalla possibilita di accedere alle risorse di unelaboratore data a diversi utenti

I meccanismi utilizzati limitano i possibili tipi di accessonegando o permettendo l’esecuzione delle diverse operazioni




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Protezione contro l’accesso improprio - 2

L’approccio piu comune prevede l’accesso a secondadell’identita dell’utente

Viene implementato associando una lista di accesso ad ognifile o directory

Quando un utente richiede l’accesso ad un file, il SO controllase e incluso nella lista associata a quel file e se presente loautorizza, altrimenti nega l’accesso

Problema: lunghezza della lista

Soluzione: per condensare la lista molti sistemi raggruppanogli utenti in tre gruppi (proprietario, gruppo, universo)




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Gestione del Sistema di I/O

Uno degli scopi del SO e di nascondere all’utente le specifichefisiche degli specifici dispositivi hardware




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Driver - 1

Un driver e un particolare programma che racchiude tutte leinformazioni necessarie alla gestione di una particolareperiferica

Per ogni dispositivo deve esserci un particolare deriver

- stampante, monitor, tastiera, ...

Il driver deve gestire la comunicazione di segnali da e verso laperiferica e coordinare l’accesso alla risorsa

Deve assicurare la corretta gestione degli errori e la gestionedei deadlock




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Driver - 2




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Gestione della Stampante

La comunicazione fra elaboratore e stampante eparticolarmente critica a causa dei diversi tempi dielaborazione delle operazioni fra le due unita

Lo SPOOL (Simultaneous Peripheral Operating On Line) e laparte del SO che si occupa di ottimizzare la comunicazione




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