Il sistema operativoIl sistema operativo

Claudia Raibulet

raibulet@disco.unimib.it

Sistema operativoSistema operativo

Insieme di programmi per la gestione del funzionamento del computer.

Interfaccia tra utente e hardware, ambiente per l’esecuzione dei programmi.

Un sistema operativo viene caricato nella memoria RAM all’accensione della macchina (programma di boot) e rimane attivo fino allo spegnimento.

Sistema operativoSistema operativo

Il sistema operativo:• è un insieme di moduli software;• controlla le risorse hardware del sistema;• mette a disposizione dell’utente una macchina

virtuale, in grado di eseguire comandi dati dall’utente, utilizzando la macchina “reale”.

Sistema operativoSistema operativo Il sistema operativo:presenta all’utente una macchina

virtuale che nasconde tutti i dettagli hardware che sarebbero troppo complicati da gestire per la maggior parte degli utenti.

Sistema operativoSistema operativo Le richieste dell'utente al SO,

fatte digitando dei comandi nelle interfacce a carattere (Character User Interface) o selezionando oggetti con il mouse nelle interfacce grafiche (Graphic User Interface), sono intercettate dall'interprete dei comandi (shell), il quale attiva i moduli programma che agiscono nei componenti del nucleo (kernel). Questi attivano i dispositivi hardware quali il processore, la memoria, i controller di I/O, ecc., che svolgono la richiesta dell'utente.

Sistema operativoSistema operativo

E’ uno strato software cheopera direttamentesull’hardware

Isola gli utenti dai dettaglidell’hardware

E’ organizzato a strati:• Architettura a buccia di

cipolla

• Ogni strato costituisceuna macchina virtuale

Programmi utente

Interprete comandiattivazione programmi d’utente o di sistema

File systemcontrollo e gestione degli accessi a file

Gestione delle periferichegestione di ingresso/uscita da periferica

Gestione della memoriaallocazione e gestione della memoria

Gestione dei processi (nucleo)gestione dei processi e delle interruzioni

Macchina fisica

Kernel

Funzioni del sistema operativoFunzioni del sistema operativo Il gestore dei processi (o nucleo) è responsabile

dell’esecuzione dei programmi da parte dell’unità di elaborazione

Il gestore della memoria ha la funzione di allocare la memoria e partizionarla tra i vari programmi

I driver sono responsabili delle operazioni di ingresso/uscita che coinvolgono le periferiche

Il file system è responsabile della gestione dei file in memoria di massa

L’interprete comandi consente all’utente di attivare i programmi

Gestione dei processiGestione dei processi Funzioni:

• Interazione diretta con l’Hardware

• Esecuzione dei programmi come processi

Gestione dei processiGestione dei processi Un processo e’ correlato alla esecuzione di un

programma Definizione:

• Un processo P e’ una coppia di elementi (E, S) che comprende il codice eseguibile E del programma e lo stato S del processo

Un programma puo’ essere associato a piu’ processi:• Un programma puo’ essere scomposto in varie parti e ognuna

di esse puo’ essere associata ad un processo separato

• Un programma puo’ essere associato a vari processi quando diverse copie del processo sono eseguite

Un calcolatore puo’ avere piu’ processori (un processore e’ un unita’ di elaborazione che esegue i processi)

Gestione dei processiGestione dei processi I processi hanno sempre aree dati disgiunte (sebbene possano,

a richiesta, condividere parte dei dati oppure scambiarsi dei messaggi).

Codice eseguibiledel programma P

Dati sui cui agisceil programma P

Altri processi

Memoria centrale

ProcessoP1

Codice eseguibiledel programma P

Dati sui cui agisceil programma P

Memoria centrale

ProcessoP1

Codice eseguibiledel programma P

Dati sui cui agisceil programma P

ProcessoP2

Codice eseguibiledel programma Q

Dati sui cui agisceil programma Q

ProcessoQ1

Gli stati di un processoGli stati di un processo Nuovo: il processo viene

creato In esecuzione: assegnato al

processore ed eseguito da esso

Pronto: può andare in esecuzione, se il gestore dei processi lo decide

In attesa: attende il verificarsi di un evento esterno per andare in stato di pronto

Terminato: il processo ha terminato l’esecuzione, ma non è stato ancora fisicamente cancellato dalla memoria centrale.

Processo in esecuzione

Processopronto

Processo in attesa

Inizio esecuzione

Primo processopronto

- Fine quanto di tempo- Interruzione esterna

Interruzione interna

Evento esterno atteso

- Fine esecuzione- Abort per errore

Gli stati di un processoGli stati di un processo

I processi appena creati si mettono in stato di pronto Il kernel (nucleo) decide quale processo pronto

eseguire (mettere in stato di esecuzione) Il kernel assegna il processore ad un processo per un

intervallo (quanto) di tempo L’assegnazione di un processo al processore tiene

conto della coda dei processi pronti, della priorita’ dei processi e della politica round-robin

Gli stati di un processoGli stati di un processo Un processo in esecuzione passa in stato di attesa se:

• Richiede operazioni di I/O (interruzione interna) e per non lasciare il sistema inattivo, il processo attivo viene interrotto e posto in stato di attesa

• Si verificano richieste di interruzioni esterne • Se il tempo allocato al processo e’ scaduto (); il processore cerca

di garantire un uso equo della CPU a tutti i processi; il nucleo interrompe l’esecuzione del processo attivo per non penalizzare gli altri processi esistenti; quando il processo torna in stato attivo prosegue con l’elaborazione dell’istruzione successiva a quella su cui era stato precedentemente interrotto

• al termine delle propria esecuzione ed è rimosso dall’elenco dei processi esistenti

Quando un processo viene interrotto si verifica un cambiamento di contesto: si salva il contesto del processo appena interrotto nel suo descrittore di processo, dopodiche’ il processore diventa libero e un altro processo pronto pasa in esecuzione

Gli stati di un processoGli stati di un processo Quando un processo richiede un’operazione di I/O

esso passa dalla stato in esecuzione allo stato in attesa Quando l’operazione di I/O finisce, viene generato

un’interruzione esterna e quindi il processo in esecuzione viene interrotto e quindi passa dallo stato di esecuzione allo stato pronto

Il kernel esegue il gestore delle interruzioni per risolvere l’interruzione

In processo in attesa del I/O diventa pronto

Gli stati di un processoGli stati di un processo Quando un processo viene fatto transitare di stato, si dice

che avviene una commutazione di contesto (context switch).

nuovo

pronto attivo

terminato

sospeso

ammesso

avviato

interrotto

attesa di un eventocompletamento di un evento

espulso

Cambiamento di contestoCambiamento di contesto Contesto: insieme delle informazioni che

caratterizzano lo stato di un processo Se il processo è fisicamente in esecuzione parte del

contesto si trova nei registri della CPU (Program Counter, registri utente)

Se il processo non è in esecuzione il contesto è in memoria.

Cambiamento di contesto: operazione che avviene quando il sistema operativo decide di mandare in esecuzione un altro processo

Il sistema operativo deve salvare tutte le informazioni necessarie a ripristinare esattamente lo stato del processo in esecuzione nel futuro.

Sistema operativoSistema operativo Per descrivere gli stati del

processo e per gestire le commutazioni di contesto subite dal processo, al processo va associata un’opportuna struttura dati, chiamata area dati di nucleo (process control block).

L’area dati di nucleo del processo è creata e gestita direttamente dal sistema operativo; non è direttamente visibile da parte del processo.

Parametri dell’area dati di nucleo

Stato del processo: nuovo, pronto, attivo, sospeso, terminato.

Contatore di programma: l’indirizzo della prima istruzione daeseguire, quando il processo entra in stato attivo.

Numero del processo, o PID: identificatore univoco del processo.

Registri del processore: tutti i registri (general e special purpose) delprocessore, da ripristinare nel processore quando il processo entra instato attivo.

Informazioni di scheduling del processore: priorità del processo,puntatori alle code di scheduling, parametri di scheduling, ecc.

Informazioni di gestione della memoria: registri base e limite dellospazio di memoria assegnato al processo, tabelle delle pagine o deisegmenti di memoria di proprietà del processo, ecc.

Informazioni contabili: tempo di processore e tempo reale di utilizzodel processore, limiti di tempo, ecc.

Informazioni di I/O: elenco delle periferiche assegnate al processo,elenco dei descrittori di file aperti da parte del processo, ecc.

Esempio di commutazione di contestoEsempio di commutazione di contesto

salva lo stato in ADN1

ripristina lo stato da ADN2

salva lo stato in ADN2

ripristina lo stato da ADN1

in esecuzione

inattivo

in esecuzione

inattivo

in esecuzione

inattivo

sistema operativoprocesso P1 processo P2

interruzione o chiamata di sistema

interruzione o chiamata di sistema

Classificazione dei SOClassificazione dei SO In base alla modalita’ di gestione dei programmi:

• Monoprogrammazione (esegue un solo programma alla volta)

• Multiprogrammazione (esegue piu’ programmi apparentemente conteporaneamente, in realta’ in time-sharing, suddividendo il tempo di esecuzione in intervalli molto piccoli e assegnando a turno le risorse ai diversi programmi)

In base al tipo di accesso fornito agli utenti:• Monoutente (un solo utente puo’ usare la macchina)

• Multiutente (piu’ utenti possono contemporaneamente interagire con la stessa macchina)

Classificazione dei SOClassificazione dei SO I concetti di mono e multi-programmazione sono

indipendenti sa quelli di SO mono e multi-utente I SO attuali operano tutti in multiprogrammazione Windows nasce come sistema monoutente, anche se

le versioni evolute (NT, 2000, XP) hanno alcune funzioni che possono essere utilizzate in modo concorrente da piu’ utenti contemporaneamente

UNIX e’ un sistema multiutente che opera in multiprogrammazione

Classificazione dei SOClassificazione dei SO

In base al tipo di schell utilizzato:• Shell alfanumerici (MS-DOS, UNIX, …) i comandi

vengono inseriti come stringhe di caratteri e impartiti tramite la tastiera

• Shell grafici - Graphic User Interface (GUI) i comandi e gli oggetti vengono rappresentati in modo grafico e possono essere impartiti, eseguiti o manipolati attraverso l’uso congiunto di mouse e tastiera

Sistema operativoSistema operativo Quando si parla di multiprogrammazione si parla

anche di time‑sharing: il sistema operativo che fa sì che le risorse del calcolatore siano assegnate per prefissati intervalli di tempo, in successione, ai diversi programmi: gli intervalli di tempo possono essere più o meno lunghi l’uno rispetto all’altro, a seconda della priorità di cui gode il programma che l'utente utilizza, ma comunque sono di brevissima durata.

Sistema operativo in time sharingSistema operativo in time sharing Permette la condivisione della CPU tra più processi Ogni processo in esecuzione ha a disposizione un quanto di

tempo di utilizzo della CPU, al termine del quale viene sospeso per lasciare il posto ad un altro processo in attesa di esecuzione.

Sistema operativo - schedulingSistema operativo - scheduling

In un sistema con un singolo processore e più processi non èpossibile avere più di un processo attivo in ogni istante di tempo.

E’ necessario eseguire i processi a intervalli (quanti di tempo) eprevedere un sistema di riordinamento (scheduling) delle loroesecuzioni, che assegni loro tempo di esecuzione in modo equo.

I processi vengono fatti avanzare a turno, assegnando loro un quantodi tempo per portarsi avanti nell’esecuzione.

Si ottiene lo scheduling dei processi mediante una (o anche più diuna) coda di scheduling, in cui vengono inseriti i processi che devonoessere fatti aspettare.

Sistema operativo e macchine virtualiSistema operativo e macchine virtuali In una macchina multiprogrammata il sistema operativo

gestisce più processi contemporaneamente, rendendo visibile ad ogni processo una macchina “virtuale” ad esso interamente dedicata e quindi con risorse proprie.

Sistema operativo e macchine realiSistema operativo e macchine reali

Sistema operativoSistema operativo Lo schedulatore (scheduler) è la componente del sistema

operativo che si occupa di spostare i processi tra le varie code di attesa.

coda dei processiin stato pronto CPU

richiesta di I/Ocoda di I/OI/O

quanto di tempo esaurito

fork di unprocesso figlio

processo figlioin esecuzione

fine esecuzioneprocesso figlio

attesa diun’interruzione

arrivo del-l’interruzione

Sincronizzazione dei processiSincronizzazione dei processi

A volte, i processi devono sincronizzarsi, ovvero coordinare le loro attività

Il coordinamento sequenziale: un processo termina invocando l’attivazione di un altro processo

La competizione: due processi vogliono accedere simultaneamente a una medesima risorsa (risorsa critica)

Gestione della memoria centraleGestione della memoria centrale Il sistema operativo permette l’esecuzione

contemporanea di più processi e tutti i processi pronti dovrebbero avere tutto il programma o almeno le prossime istruzioni caricate nella memoria.

Se lo spazio totale occupato dai processi supera la dimensione della memoria centrale, non tutti i processi possono risiedere per intero nella memoria centrale

Normalmente la quantità di memoria non è sufficiente a contenere tutti le istruzioni e tutti i dati di tutti i processi gestiti.

Gestione della memoria centraleGestione della memoria centrale

La memoria deve essere gestita con molta attenzione ed efficienza caricando solo i dati e le istruzioni che devono essere modificate ed eseguite. Le altre parti devono essere spostate sul disco per poter essere caricate quando necessario.

La memoria virtuale e’ un sistema per aumentare lo spazio di memoria disponibile

Gestione della memoria centraleGestione della memoria centrale Partizionamento della memoria e del suo spazio di indirizzi. Tecniche di partizionamento:

• Segmentazione: suddivide la memoria centrale in segmenti di lunghezza variabili contenenti parti di un programma logicamente correlati tra di loro

• Paginazione: suddivide memoria e programmi in pagine di lunghezza fissa; i programmi vengono caricati in memoria anche in pagine non contigue

NON sono tecniche alternative. Spesso sono applicate contemporaneamente

Sia nel caso della partizione, sia in quello della segmentazione, il gestore della memoria offre al programma applicativo la visione di una memoria virtuale

Gestione della memoria centraleGestione della memoria centrale Ad ogni processo viene assegnata nella fase di partenza una

tabella detta tabella delle pagine dove per ogni pagina usata dal processo viene scritto dove si trova la pagina fisica.

La memoria virtuale è maggiore di quella fisica La gestione della memoria è coordinata con la gestione dei

processi

File System – il gestore dei fileFile System – il gestore dei file Un file è un insieme di dati omogenei fra loro e raggruppati ai

fini di archiviazione, di successiva elaborazione o di esecuzione. Possono contenere dati (file dati), programmi in linguaggio

macchina (file eseguibili) o sequenze di comandi del sistema operativo (script o file batch).

Un sistema operativo fornisce dei formati standard con cui organizzare i dati nella memoria di massa e i comandi per manipolare i file (file system).

Ogni file è caratterizzato da un nome e da una estensione, che serve ad identificarne il tipo.

Es. i file eseguibili sotto MSDOS/Windows hanno estensione .EXE, quindi il file prova.exe è un file che contiene codice direttamente eseguibile dalla CPU.

File System – il gestore dei fileFile System – il gestore dei file

L'oggetto elementare su cui opera il file system è il FILE, ossia una raccolta di dati registrati su memoria di massa (il file è visto dal SO come una sequenza di byte)

Tipi di file:

• testo (ASCII): una sequenza di caratteri, ad esempio un programma sorgente (es. in linguaggio C) o un editor di testo semplice

• binari: una sequenza di byte

• eseguibili (programmi) e non eseguibili (es. immagini, documenti creati con word processor)

File System – il gestore dei fileFile System – il gestore dei file Sul disco rigido i file sono organizzati in modo gerarchico e

possono essere inseriti in opportuni “contenitori” (cartelle o directory: sono anch’essi file! Una directory contiene una lista dei nomi e attributi dei file e directory al suo interno).

Il disco può essere considerato come un archivio che contiene varie cartelle. Ogni cartella contiene documenti (file) o altre cartelle, che a loro volta contengono file o cartelle, realizzando una struttura ad albero.

Ogni file è quindi identificato da un percorso, che rappresenta la sequenza delle cartelle che bisogna aprire per raggiungerlo.

File System – il gestore dei fileFile System – il gestore dei file

Il percorso di un file individua le directory che devono essere percorse per raggiungere quella che contiene il file.

Il percorso e il nome del file individuano l’oggetto e ne specificano la collocazione nella struttura gerarchica:

c:/Didat/esami/iscrmar.doc

File System – il gestore dei fileFile System – il gestore dei file Funzioni principali:

• Creazione di file

• Copiatura di file

• Spostamento (da una cartella ad un’altra) di file

• Ridenominazione di file

• Cancellazione di file

• Strutturazione dei dischi (e dei nastri) come insiemi di file.

• ...

Per ognuna di queste operazioni esiste un opportuno comando (interfaccia utente alfanumerica) o una azione corrispondente con mouse e tastiera (GUI).

Gestione delle perifericheGestione delle periferiche Funzioni principali:

• Indirizzamento dei segnali da e verso le periferiche• Sincronizzazione delle periferiche

Gestione del sistema di Ingresso/Uscita• Sistema di tamponamento dei flussi di dati (buffer-

caching).• Interfaccia generale per i programmi di controllo

(driver) delle periferiche (device).• Collezione di programmi di controllo (driver) specifici

per le varie periferiche (device) collegabili al calcolatore.

Driver - Gestione delle perifericheDriver - Gestione delle periferiche I driver sono meccanismi software cui è affidato il

compito di comunicare dati da e verso le periferiche Garantiscono ai programmi che li usano una visione

di alto livello• E’ possibile leggere o scrivere tramite primitive

indipendenti dalla struttura hardware delle periferiche Si distingue fra:

• Driver fisici (hardware). Vengono attivati direttamente dal gestore delle interruzioni

• Driver logici (software). Fanno parte del sistema operativo e forniscono una gerarchia di operazioni, con un’organizzazione a strati