Hardware e Sw (Sistema Operativo) Ing. Alessandra Musolino Abilità Informatiche A.A. 2020/21

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Hardware e Sw (Sistema Operativo)

Ing. Alessandra Musolino Abilità Informatiche

A.A. 2020/21

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Funzioni di un computer

All’interno di un calcolatore si svolgono varie funzioni, classificabili nelle categorie seguenti:

• Elaborazione dati

• Memorizzazione dati (temporanea e/o permanente)

• Trasferimento dati da/verso esterno (Input/Output - I/O - mediante

periferiche e trasmissione dati)

• Controllo

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Componenti di un computer

1. Hardware – indica l’insieme dei componenti materiali (CPU, memoria, dispositivi di I/O).

2. Sistema Operativo – software di base che controlla e coordina l’uso dell’hardware tra le varie applicazioni dei vari utenti (e.g., Windows, Mac OS, iOS, Android)

3. Programmi applicativi – software che utilizza le risorse del

sistema per specifiche applicazioni (compilatori, database,

video game, programmi di gestione)

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Evoluzione dei computer (gen 1-3)

Generazione Prima (anni ‘50)

• Tecnologia a valvole

• Bassa affidabilità

• Elevati consumi energetici

• Linguaggio macchina

Seconda (anni ‘60)

• Tecnologia a transistor

• Affidabilità più elevata

• Consumi minori

Terza (anni ‘70)

• Tecnologia a circuiti integrati

• Linguaggi di programmazione di alto livello

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Evoluzione dei computer (gen 4-5)

Generazione Quarta (anni ‘80)

• Personal computer

• Compattezza

• Costi ridotti

• Calore ridotto

• Aumento applicazioni

Quinta (giorni nostri)

• Dimensioni ridotte

• Consumi molto bassi

• Connettività di rete elevata

• Interfacce user-friendly

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Linee di tendenza

• Miniaturizzazione

• Aumento della potenza di calcolo

• Aumento della capacità di memoria

• Aumento della connettività di rete

• Miglioramento dell’usabilità dell’interfaccia d’utente

• Riduzione del consumo di energia

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Macchina di von Neumann

John von Neumann, è stato

un matematico e

informatico ungherese naturalizzato statunitense.

Nel 1952 definì per la prima volta in modo rigoroso il concetto di elaboratore elettronico a programma memorizzato (la cosiddetta macchina di von Neumann)

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Architettura della macchina di von Neumann

Caratteristiche architettura a bus

• Semplicità

• Estendibilità (struttura modulare)

• Standardizzabilità

• Lentezza (bus unico = collo di bottiglia)

• Sovraccarico della CPU

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Componenti di un computer

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L’unità centrale (CPU o processore)

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Capacità di elaborazione

❑

L ’esecuzione delle operazioni è regolata da un orologio (clock) ad altissima frequenza:

➢

~ 1 GigaHertz  ciclo = 0.000000001sec.

➢

In generale, più alta è la frequenza maggiore è la potenza di elaborazione

❑

Una singola istruzione può richiedere più cicli

❑

Le moderne CPU hanno più core (unità di calcolo)

➢

Possibile eseguire miliardi (10

⁹

) di operazioni aritmetiche al secondo

➢

L ’unità di misura delle prestazioni sono i

Giga FLOPS (10

⁹

istruzioni tra numeri reali, FLoating point OPerations per Second)

❑

I supercomputer hanno ormai prestazioni

nell’ordine dei Peta FLOPS: 10

¹⁵

FLOPS.

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L’evoluzione dei processori

Legge di Joy MIPS =2 (anno-1984)

2 (2019-1984)= 34.360 milioni

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La legge di Moore

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Processori iPhone

• A10 Fusion a 2.3 GHz (iPhone 7/7 plus)

• A9 a 1.8 GHz (iPhone 6s/6s plus e SE)

• A8 a 1.4 GHz (iPhone 6/6 plus)

• A7 a 1.3 GHz (iPhone 5s)

• A6 a 1.3 GHz (iPhone 5/5c)

• A5 a 800 MHz (iPhone 4s)

• Produzione: Samsung (in calo) + TMSC (in ascesa)

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Memorie

• Memoria Principale

• richiamata direttamente dalla CPU

• non permanente

• Memoria Secondaria

• richiamata tramite il sottosistema di input/output

• permanente

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Interazione fra CPU e Memoria principale (centrale)

• Una volta caricata nella memoria centrale un’intera sequenza di istruzioni (il programma), l’unità di controllo interna alla CPU esamina la prima istruzione, la interpreta e ordina all’unità aritmetico-logica di eseguirla

• Il processore registra quindi il risultato della prima istruzione nella memoria centrale e prende in esame l’istruzione successiva

• Il ciclo si ripete fino a quando tutte le istruzioni sono

state eseguite

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Memoria principale e secondaria

• Diversi obiettivi:

– (P) Supporto alla CPU: deve fornire alla CPU dati e istruzioni il più rapidamente possibile

– (S) Archivio: deve consentire di archiviare dati e programmi garantendone la conservazione e la reperibilità anche dopo elevati periodi di tempo

• Diverse esigenze:

– (P) velocità per il supporto alla CPU – (S) non volatilità ed elevata capacità

• Diverse tecnologie:

– (P) elettronica: veloce, ma costosa e dinamica (volatile)

– (S) stato solido (veloce e costosa); magnetica e ottica (economica, ma lenta)

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I tipi di memoria principale

• Memoria ad accesso casuale (RAM)

• Casuale va inteso nel senso che il tempo di accesso non dipende dalla locazione

• Mantiene al proprio interno i dati e le istruzioni dei programmi in esecuzione

• Tecnologia elettronica (1 transistor per ogni bit): veloce, volatile (conserva i dati solo se alimentata) e costosa

• Influisce sulla velocità complessiva (riduce l’accesso alla memoria di massa)

• Memoria di sola lettura (ROM)

• elettronica, permanente ma solo lettura

– Usata tipicamente per i programmi da caricare all’accensione

(come il

BIOS - Basic Input/Output System

)

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Parametri di valutazione delle memorie

• Velocità di accesso

• Volatilità/Permanenza

• Capacità

• Costo (per bit)

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Memoria vs. CPU

• Le CPU sono sempre state più veloci delle memorie

• La miniaturizzazione ha consentito alle CPU di raggiungere velocità di esecuzione sempre più elevate

• Nelle memorie è aumentata la capacità più che la velocità (da 1 MB di RAM nei PC degli anni ’80 a qualche GB dei

laptop di oggi)

• I tempi di accesso però

sono calati molto meno: da circa 100 nanosecondi a circa 10

• Inserire memorie molto più

veloci nello stesso chip della

CPU è molto costoso

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Gerarchia di Memoria

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Gerarchia di Memoria

Tipicamente costituita da:

1. Registri contenuti nella CPU (al più qualche KiloByte) 2. Cache (qualche MegaByte)

3. Memoria principale (alcuni-decine di GigaByte)

4. Dischi (da centinaia di GigaByte a qualche TeraByte) 5. Nastri magnetici e dischi ottici (da GB a TB)

Quando ci si sposta verso il basso nella gerarchia:

• aumenta il tempo di accesso;

• aumenta la capacità di memorizzazione;

• diminuisce costo per byte.

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Le memorie di massa

• Dischi magnetici

– disco fisso (Hard-disk, capacità da poche decine a migliaia di GigaByte)

– dischi rimovibili (capacità come gli HD)

– Combinazione di parti meccaniche ed elettroniche

• Dischi ottici

– CD-ROM (Compact Disk a sola lettura, capacità tipica 650 Mbytes), CD-R (WORM), CD-RW (RAM)

– DVD (Digital Versatile Disk, capacità min 4.7 Gbyte, (1lato/1 strato) film full motion a schermo largo, 3 canali audio)

– Unità a stato solido

– non è un disco, capacità fino a qualche centinaio di GigaByte.

– Fondamentalmente una memoria Flash (di tipo Nand) – Tipiche di smartphone, tablet, laptop di fascia alta

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Funzionamento di un hard disk

• Per effettuare un’operazione di lettura o scrittura è necessario che la testina si posizioni in corrispondenza del blocco desiderato

• La velocità di rotazione del disco può arrivare a 15000 giri al minuto!

• La meccanica del hard disk è molto sofisticata ma delicata

• La capacità di scrittura è dell’ordine di qualche MegaByte al secondo

• La capacità di lettura è più elevata grazie a meccanismi di pre-caricamento ed alla

presenza di memorie più veloci di appoggio.

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Memorie a Stato Solido (SSD)

• L’unità a stato solido o drive a stato solido (SSD) utilizza memoria Flash per l'archiviazione di massa dei dati.

• Memorizza in modo non volatile grandi quantità di dati, senza utilizzare parti meccaniche

• Il tasso di rottura di un SSD oscilla tra lo 0.5% e il 3% annuo, mentre negli hard disk può raggiungere il 10% (segue una curva a vasca da bagno)

• Un SSD ha minori consumi e minore produzione di calore

• Un SSD ha tempi di accesso e archiviazione ridotti (decimi di millisecondo contro i 5 e i 10 millisecondi dei dischi magnetici)

• Il costo per byte del SSD è sensibilmente più elevato (per ora).

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Costi iPhone

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Il software

• Il software è l’insieme dei programmi che

gestiscono e realizzano le funzioni specifiche svolte dal computer

• Può essere classificato in

• Software di base (sistema operativo)

• Software applicativo

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Classificazione software dal punto di vista dei diritti

• Software proprietario: solo diritto di utilizzo, senza possibilità di modifiche e con rilascio del solo codice eseguibile

• Software open source: rilascio del codice sorgente con permesso di modifiche ed estensioni (esempi: Firefox, VLC, Gimp, 7- Zip, OpenOffice, LibreOffice)

• Freeware: software proprietario ma concesso in uso gratuito.

• Software di pubblico dominio: software privo di copyright (il codice sorgente può non essere disponibile).

• Software con copyleft: è software che può essere usato, modificato e redistribuito, per il quale si impone che tutte le copie di tutte le versioni siano distribuiti sotto condizioni simili (es: licenza GPL).

• Shareware: può essere utilizzato e ridistribuito per un periodo di tempo limitato, ma richiede successivamente un pagamento

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È un insieme di componenti software che gestisce hardware e fornisce servizi

(comuni) alle applicazioni

Principali Obiettivi

• Efficienza: cercare di utilizzare al meglio le risorse del calcolatore

• Semplicità: cercare di rendere più semplice l’utilizzo dell'hardware

sottostante nascondendo i dettagli

Cos’è un Sistema Operativo

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Il mercato dei sistemi operativi

• È un mercato con forti concentrazioni (ma praticamente non regolamentato)

• Si tratta di sistemi “embedded” (legati alla scelta del computer)

Sistemi operativi mobili (Android oltre l’80%) Quote di mercato desktop/laptop

(Windows oltre l’80%)

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Ruolo di intermediazione del S.O.

• Una singola applicazione perde la possibilità di controllare direttamente tutte le risorse (ma non deve neanche preoccuparsi di farlo)

• Vengono definite modalità standard di interfaccia con i dispositivi fisici, in modo da:

– sviluppare applicazioni in modo semplice, modulare ed indipendente dallo specifico hardware su cui viene fatto funzionare il sistema operativo;

– aggiornare il software di base e l'hardware in modo trasparente ai programmi applicativi e all'utente, ossia senza che vengano influenzati dall'operazione

.

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SO vs. programmi applicativi

• Programmi applicativi

– hanno accesso a un insieme ridotto di risorse;

– possono utilizzare solo un sottoinsieme non

privilegiato delle istruzioni del processore (esecuzione in modalità utente);

– non possono decidere

autonomamente quando e come avere accesso alle risorse del sistema

(richiedono al sistema operativo l’esecuzione di alcuni servizi);

– …

• Sistema operativo

– ha accesso a tutte le risorse;

– può utilizzare tutte le istruzioni del processore (esecuzione in modalità supervisore);

– stabilisce in che ordine e come le richieste che riceve devono essere soddisfatte;

– …

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Sistema Operativo Utente

Nucleo (o kernel) [gestione processore]

Hardware

Software applicativo

Gestione periferiche

File

system Interfaccia

con la rete Gestione

memoria Interprete

comandi

Componenti di un S.O.

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Componenti di un S.O. (1/2)

• Gestione del processore:

– gestisce i programmi che sono contemporaneamente attivi

– mette a disposizione la CPU di un programma alla volta con un meccanismo di alternanza (scheduling)

– controlla l’esecuzione dei processi in modo da impedire che un programma possa danneggiarne un altro

• Gestione della memoria:

– Assegna parti della memoria centrale ai vari programmi in modo da soddisfare le relative esigenze in modo trasparente ed efficiente.

– Permette la parziale condivisione degli spazi di memoria associati ai vari programmi in modo che possano scambiarsi dati durante l’esecuzione.

• Gestione delle periferiche:

– Maschera le caratteristiche fisiche delle periferiche e le specifiche operazioni di ingresso/uscita

– Permette di effettuare operazioni contemporaneamente su diversi dispositivi (tastiera, dischi, schede di rete)

.

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Componenti di un S.O. (2/2)

• Gestione dei file (file system):

– Organizza i contenuti dei dispositivi di memoria di massa (dischi, CD, DVD, etc.)

– Gestisce i file offrendo una visione logica indipendente dalla reale rappresentazione fisica sui dispositivi di memoria di massa

– Gestisce i privilegi relativi all’accesso ed alla modifica dei file