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SistemiOperativi

Danilo BruschiMattia Monga

Concettigenerali

Evoluzione deisistemioperativi

I generazione

II generazione

III generazione

IV generazione

Sistemi Operativi1

Mattia Monga

Dip. di Informatica e ComunicazioneUniversita degli Studi di Milano, Italia

[email protected]

4 marzo 2008

1c© 2008 M. Monga. Creative Commons Attribuzione-Condividi allo stesso modo 2.5 Italia License.

http://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.5/it/. Immagini tratte da [1] e da Wikipedia.

[email protected]

http://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.5/it/

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Lezione I: Introduzione

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Informazioni sul corso

4+4 ore di lezione settimanali (12 crediti)

Lezioni di teoria e in laboratorio

Esame:

Scritto con domande a risposta multipla + oraleProva pratica per la parte di laboratorioSono previste 2 prove intermedie

Libro di testo per la parte di teoria: Operating SystemDesign and Implementation, di Tanenbaum e Woodhull, IIIed.[1]

http://homes.dico.unimi.it/sisop/

http://homes.dico.unimi.it/sisop/

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Il sistema operativo

Cos’e un sistema operativo

Un insieme di programmi che:

Gestisce in modo ottimale le risorse di un calcolatore;

Facilita a programmatori ed utenti finali l’uso dellasottostante macchina hardware

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The onion model

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Kernel/User mode

Il s.o. e l’unico programma che esegue con il totalecontrollo delle risorse hardware (kernel mode).

Gli altri programmi si appoggiano unicamente sui servizidel s.o. e la loro esecuzione e gestita e controllata dal s.o.(user mode)

In molti processori questa separazione e imposta viahardware

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Software di base

Con software di base si indica il sw che:

Abilita l’uso del computer e delle sue componenti ad unutente

Gestisce le risorse del sistema

Facilita l’uso delle stesse ai programmatori di applicazioni

Fanno parte del sw di base:

Sistema operativo

Compilatori e interpreti

DBMS

Sistemi operativi di rete

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Software applicativo

Con software applicativo si indica il sw che:

Soddisfa le specifiche esigenze degli utenti finali(utilizzatori) in merito all’uso del calcolatore nelle loroattivita

Fanno parte del sw applicativo:

Video-scrittura, Foglio elettronico

Contabilita, Fatturazione

WWW, Posta elettronica, News

. . .

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Unita di misura

exp prefisso exp prefisso exp prefisso10−3 milli (m) 103 kilo (K) 210 kibi (Ki)

10−6 micro (µ) 106 mega (M) 220 mebi (Mi)

10−9 nano (n) 109 giga (G) 230 gibi (Gi)

10−12 pico (p) 1012 tera (T) 240 tebi (Ti)

10−15 femto (f) 1015 peta (P) 250 pebi (Pi)

10−18 atto (a) 1018 exa (E) 260 exbi (Ei)

10−21 zepto (z) 1021 zetta (Z) – –

10−24 yocto (y) 1024 yotta (Y) – –

bit (b) binary digit;

byte (B) un insieme di bit adiacenti (generalmente otto)

octet (o) otto bit

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Definizioni preliminari

Tempo di turnaround : intervallo di tempo che intercorre tral’istante di tempo in cui si sottopone un processo(job) al sistema e l’istante di tempo in cuitermina l’esecuzione del job (wall clock time)

Tempo di esecuzione : quantita di tempo utilizzata dalla CPUper eseguire un determinato job

Input time : tempo impiegato per immettere i dati di input

Output time : tempo impiegato per emettere l’output (noncalcolarlo!)

Utilizzo CPU in un intervallo di tempo T : tempo di esecuzioneT

Troughput in un intervallo T : numero di job eseguiti in T

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Tempi tipici

Risorse usate da un’applicazione tipica

Input time manuale: 15 min

Input time automatico: 0.3 min

Output time: 0.5 min

Execution time: 1 min

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Generazioni

Generazione 1 (1945-55) : Valvole, modello open shop,applicazioni scientifiche

Generazione 2 (1955-65) : Transistor, sistemi batch,applicazioni scientifiche e prime applicazionicommerciali

Generazione 3 (1965-80) : ICs, sistemi multiprogrammati etimesharing, applicazioni commerciali

Generazione 4 (1980-Present) : VLSI, applicazioni personali

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Modello open shop

Gli utenti accedevano a turno al calcolatore dove caricavano edeseguivano i loro programmi.Sistema poco efficiente

Un utente ogni 20 min circa

Utilizzo CPU 1/20 = 5% (v. tempi tipici)

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In questo caso la memoria del calcolatore era completamente adisposizione dell’utente finale ed appariva in questo modo:

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II generazione

Un primo miglioramento derivo dall’eliminazione dei tempi diinput di dati e programmi con l’introduzione delle schedeperforate

L’utente preparava off-line il suo programma su schedeperforate

Accedeva al calcolatore a cui faceva leggere le schede

il programma veniva eseguito ed i risultati stampati

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Schede perforate

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Profilo temporale

Il profilo temporale dell’esecuzione dei programmi era quindi:I1 E1 O1 I2 E2 O2 I3 E3 O3 I4 E4 O4

In questo caso, se consideriamo il profilo di un’applicazionestandard, il troughput del sistema diventa 33 job/h con un usodella CPU = 33/60 = 55% (v. tempi tipici)

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Esigenza del s.o.

L’avvento dei lettori di schede incominci a richiedere la presenzain memoria centrale di un programma che fosse in grado di:

Gestire l’unita periferica (CR)

Leggere le schede

Interpretare ed eseguire i comandi richiesti (Job ControlLanguage)

Copiare il contenuto delle schede in memoria

A lettura ultimata “lanciare” l’esecuzione del programma

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Memoria

La memoria risultava occupata in questo modo

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Batch

Nasce l’esigenza di ottimizzare l’uso dei sistemi di calcoloe di eliminare dal “ciclo produttivo” le unita di I/O

Le unita di I/O che fino a quel momento erano statecollegate ai calcolatori, (card reader e stampanti) vengonosostituite da unita a nastri molto piu veloci

Si modifica completamente lo schema di accesso ad uncalcolatore

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Batch

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Profilo temporale

Il profilo temporale dell’esecuzione dei programmi era quindi:I1 I2 I3 I4 E1 E2 E3 E4 O1 O2 O3 O4

In questo caso il troughput del sistema era di 55 job/h con unuso della CPU = 55/60 = 91% (v. tempi tipici)

La CPU veniva utilizzata al meglio ma . . .

Il tempo di turnaround era diventato estremamente elevato

L’utente doveva attendere la fine del batch per poteraccedere ai risultati della propria elaborazione

Nella maggioranza dei casi il tempo di turnaround siaggirava intorno alle 24 ore

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Ulteriori problemi

Un ulteriore elemento di criticita presente nei sistemi batch eracostituito dal cambiamento delle applicazioni tipo

Sino alla fine degli anni ’50 il calcolatore era usatoprincipalmente per computazioni di tipo scientifico cherichiedevano quindi un uso intensivo della CPU (CPUbound)

Dalla fine degli anni ’50 il calcolatore incominci ad essereutilizzato in applicazioni commerciali, caratterizzate da unforte uso di I/O (I/O bound)

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Profilo batch (2)

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Applicazioni tipicamente commerciali o molto interattive

Nascono come risposta al problema di un migliorsfruttamento della CPU

S.O. di riferimento: IBM OS/360

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Multiprogrammazione

I sistemi multiprogrammati godono delle seguenticaratteristiche:

Consentono la coesistenza contemporanea in memoriacentrale di due o piu programmi

Adottano meccanismi che consentono di svincolarel’attivita della CPU da quella delle periferiche di I/O

Ottimizzano l’uso della CPU

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Memoria multiprogrammata

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Multiprogrammazione

Principio di funzionamento:

Viene scelto un programma P1 da eseguire, tra quellipresenti in memoria

Quando P1 richiede lo svolgimento di un’operazione diI/O, la stessa viene demandata alla periferica, ilprogramma P1 viene momentaneamente sospeso, sararipreso successivamente

La CPU procede nell’esecuzione di un altro programma

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Multiprogrammazione

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Interrupt

Per realizzare questa modalita diventano fondamentali i segnalidi interrupt

Interrupt

E un segnale elettrico inviato da un dispositivo esterno almicroprocessore, piu precisamente all’interrupt controllerL’interrupt permette al processore di interrompere le attivita incorso e di eseguirne altre

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Multiprogrammazione

Affinche lo schema funzioni, e necessario disporre di:

Routine di gestione degli interrupt

Moduli per la gestione dei programmi sospesi e di quellipronti all’esecuzione

Moduli per la gestione delle periferiche

piu processi possono richiedere l’uso della stessa risorsa

Moduli per la gestione della memoria

Tutte queste funzionalita sono accorpate nel sistema operativo

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Multiprogrammazione

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Time sharing

Sistemi altamente interattivi

Ogni utente lavora interattivamente e riceveperiodicamente attenzione dal calcolatore

L’impressione che ne ottiene e di avere a disposizione unsistema dedicato

Un sistema time-sharing non deve necessariamente esseremultiprogrammato (in ogni time slice un solo programmautente e caricato in memoria)

CTS5 Multics Unix

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Confronto

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Real time

Sistemi che devono garantire l’esecuzione di certeoperazioni entro limiti di tempo prefissato

La nozione di real-time legata all’ambito applicativo

Sistemi hard real-time i vincoli di tempo non possonoessere violati pena gravi danni al sistema eall’ambiente

Sistemi soft real-time il mancato rispetto dei vincoli ditempo porta ad un degrado delle prestazionidel sistema

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Sistemi operativi piu facili da utilizzare

Installabili da utenti poco espertiUtilizzabili da ogni classe di utente

Nasce la nozione di sistema user-friendly

Molta enfasi viene posta sulle interfacce utente, graziesoprattutto al lavoro della Xerox (e poi Apple) cheintroduce le interfacce a finestre

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IV generazione

I principali sistemi operativi di IV generazione sono:

UNIX

molto diffuso su workstation nelle varie versioni: HP-UX,SOLARIS, AIX, ULTRIXin ambiente PC: Linux, FreeBSD, OpendBSDin ambiente Apple: MacOs X

MS-DOS W95 WNT W2000 XP VISTA

Nato per PC IBM e compatibili, che usavano il processoreIntel 8088Con WNT Microsoft ha iniziato ad operare sul mercatodelle WKS

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IV generazione

I sistemi operativi di IV generazione hanno dovuto fare iconti, per primi, con una nuova risorsa: la rete

A partire dalla meta degli anni ’70, lo sviluppo di protocolliper reti locali prima e per reti geografiche immediatamentedopo ha favorito lo sviluppo delle reti di calcolatori

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Rete

Per poter operare in una rete, un calcolatore deve esserepredisposto del necessario

HW: cavi e schede di rete

SW: protocolli per la comunicazione con gli altri hostcollegati in rete. I protocolli piu diffusi:

EthernetTCP-UDP/IP

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Il futuro

Si assiste ad una continua evoluzione verso l’usabilita delsistema, che richiede interfacce sempre piu intuitive

Vi e una continua evoluzione di unita periferiche e sistemidi interconnessione (bluetooth, wi.fi, digital camera,biometric device) che il sistema operativo deve essere ingrado di inglobare e gestire

La complessita del s.o. cresce

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