Software e Sistema Operativo

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Versione:

11/10/13 ¹

Software e Sistema Operativo

Riferimenti: Curtin cap. 6 Console cap. 4-5

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Il Software

•  L’hardware da solo è soltanto un insieme di ferro, plastica e silicio e non è sufficiente per il funzionamento dell’elaboratore

•  Occorre utilizzare il software:

– un insieme di programmi che permettono di trasformare un insieme di circuiti elettronici in un oggetto in grado di svolgere funzioni di varia natura

•  I computer sono programmabili:

possono svolgere compiti diversi in base a istruzioni contenute nei programmi

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Il Software

•  L’utilizzo diretto dell’hardware è complicato:

– l’utente dovrebbe sapere programmare – il programmatore dovrebbe conoscere

l’hardware e il relativo linguaggio macchina – ogni programma dovrebbe essere scritto

come sequenza di bit

– modifiche hardware richiederebbero la riscrittura (parziale) del programma

Non accettabile!

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Il Software

Occorre fornire all’utente un meccanismo per:

– astrarre dall’organizzazione fisica per:

• usare nello stesso modo (o in modo simile) macchine (hardware) diverse

• avere un semplice linguaggio di interazione

– avere un insieme di programmi applicativi per svolgere diversi compiti: elaborare testi, navigare in Internet, ecc.

Il Software

•  I computer moderni raggiungono questi obiettivi mediante la definizione di macchine virtuali realizzate al di sopra della macchina hardware reale

macchina virtuale HW Utente

Macchine virtuali

•  La macchina virtuale:

– consiste in un livello software creato sull’hardware

– fornisce le funzionalità desiderate ed è facile da utilizzare

– è virtuale in quanto non esiste fisicamente, ma viene realizzata mediante il software (sistema operativo o software di base)

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Macchine virtuali

•  L'utente interagisce con la macchina virtuale con un linguaggio ad alto livello (interfaccia grafica/testuale)

macchina virtuale HW Utente

linguaggio ad alto livello linguaggio macchina

•  La macchina virtuale traduce ogni comando ad alto livello nell'opportuna serie di comandi per l’hardware: astrazione

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Il sistema operativo

Sistema Operativo: insieme di programmi che interagiscono e cooperano tra di loro per:

•  gestire efficientemente il computer e le sue periferiche

•  creare un ambiente virtuale per facilitare l'interazione uomo-macchina

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Il sistema operativo

Esempio: stampa di un file che si chiama

“Documento”

A livello fisico questa operazione è complessa e richiede operazioni coordinate dalla CPU

Per fortuna, il s.o. fornisce all'utente un comando di stampa:

print Documento

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Il sistema operativo

Il s.o. esegue un comando seguendo i seguenti passi:

1.  verifica se si tratta di un comando valido

2.  lo traduce per la macchina fisica 3.  eseguito il comando,

a)  fornisce un riscontro all’utente e b)  si pone in attesa di un nuovo comando

da parte dell’utente

Il sistema operativo

macchina virtuale 1 HW1 Utente

macchina virtuale 2 HW2 Utente medesimo

linguaggio ad alto livello

diversi linguaggi macchina

•  Macchine fisiche diverse possono essere utilizzate in modo simile costruendo al di sopra macchine virtuali

•  Ogni m. v. fornisce il medesimo linguaggio ad alto livello…

Struttura a livelli del s.o.

•  Il s.o. ha una struttura a cipolla, ogni livello:

– “astrae” il livello inferiore, nascondendone la complessità e

– fornisce servizi al livello superiore

•  In questo modo si può usare il computer senza conoscere i dettagli dei dispositivi elettronici

kernel: gestione del processore, della memoria, dei dispositivi di I/O

hardware

…

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S.O. e dispositivi di I/O

•  Ogni dispositivo di I/O collegato al computer è gestito da un modulo del s.o. chiamato driver

•  Ogni volta che si aggiunge un nuovo dispositivo, si deve installare il driver corrispondente all’interno del s.o.

•  Nota:

Plug&Play _kernel

driver printer driver

video driver modem

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Funzioni svolte dal sistema operativo (1)

•  Accensione e configurazione della macchina (bootstrap)

•  Gestione del processore

•  Gestione della memoria (principale e virtuale)

•  Linguaggio ad alto livello per l’interazione con l’utente

•  Gestione e accesso alle informazioni su memoria secondaria (File system)

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Funzioni svolte dal sistema operativo (2)

•  Gestione e uso ottimale delle risorse di input/output (dischi, stampanti, …)

•  Supporto per la comunicazione tra elaboratori

•  Supporto per i programmi applicativi (installazione, accesso alle risorse di sistema)

•  Ambienti di programmazione (ad es.

Java, C++, Basic, COBOL)

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Funzioni svolte dal sistema operativo (1)

•  Accensione e configurazione della macchina (bootstrap)

Dubbio:

Non possiamo memorizzare direttamente il s.o. in ROM?

Risposta:

No, perché la ROM è a sola lettura: ha senso memorizzarvi esclusivamente programmi/dati che non è necessario cambiare

Applicativi e s.o. devono potere essere variati e aggiornati (upgrade, patch, …)

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Il bootstrap

Riassumendo:

Bootstrap: all’accensione della macchina, un programma (il BIOS) in ROM cerca sulla

memoria secondaria il s.o. e ne carica una parte in RAM

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Il bootstrap

• Ordine tipico di ricerca:

•  Alcuni sistemi verificano anche lo stato delle risorse hardware, per esempio lo stato dei dischi (presenza di errori nel file system?)

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Funzioni svolte dal sistema operativo (1)

•  Gestione del processore

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Multitasking

•  I moderni s.o. sono multitasking, cioè è possibile eseguire più programmi allo stesso tempo (ad es. scaricare un file mentre si scrive un documento)

•  Problema: spesso gli elaboratori hanno una unica CPU. Come possono eseguire più programmi contemporaneamente?

•  Soluzione: il s.o. alterna i programmi assegnando la CPU a turno è

1. In ogni istante un solo programma è eseguito dalla CPU

2. Se l’alternanza è frequente, si ha l’impressione che i programmi vengano eseguiti

contemporaneamente

Processi (esercizio)

Windows XP è multitasking:

per visualizzare i processi

premere contemporaneamente i tasti Ctrl+Alt +Canc e andare su

Task Manager (o Gestione attività) /Processi

processo = programma in esecuzione

Processi

•  I dispositivi di I/O sono molto più lenti della CPU

•  Problema: cosa succede se un processo effettua un’istruzione di I/O?

•  La CPU rimarrebbe inattiva fino a che il dispositivo non ha terminato à

inefficienza!

•  Soluzione: multitasking

Il S.O. assegna la CPU a un altro processo e la restituisce al primo quando l’I/O è terminato

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Processi

• Un processo può trovarsi in uno dei tre stati:

– in esecuzione, cioè è in esecuzione nella CPU (à max un processo in esecuzione per ogni CPU) – in attesa, cioè attende che un’operazione di I/

O termini (o qualche altro evento esterno si verifichi) – pronto, cioè può andare in esecuzione, ma la

CPU è occupata ad eseguire un altro processo

pronto in esecuzione

in attesa selezionato dal s.o.

richiesta I/O o risorsa I/O terminato o

risorsa disponibile

interrotto per lasciare la CPU a un altro processo

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Processi

•  Il s.o. ha il compito di scegliere quale tra i processi pronti mandare in esecuzione in modo da usare l’elaboratore in modo efficiente (no sprechi) ed efficace (per es. con tempi di attesa limitati)

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Processi (esercizio)

Gestione attività

(Ctrl+Alt+Canc) frazione di tempo che un processo trascorre in esecuzione nella

CPU

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Funzioni svolte dal sistema operativo (1)

•  Gestione della memoria (principale e virtuale)

Memoria virtuale

Problema:

Come eseguire programmi e usare dati più grandi della memoria principale (memoria fisica)?

Memoria virtuale

• Tecnica di gestione della memoria utilizzata da tutti i sistemi operativi moderni

• Permette di “fare credere” ai singoli programmi di avere a disposizione una quantità di memoria più grande di quella effettivamente installata e contigua

• Per questo si chiama memoria virtuale

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Memoria virtuale

• Non è necessario mantenere sempre in memoria tutti i programmi in

esecuzione

• Le parti (pagine) dei programmi usate meno spesso vengono “spostate” su hard disk

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Memoria virtuale

Le pagine vengono riportate in memoria quando servono nuovamente,

eventualmente spostandone altre su disco

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Memoria virtuale

Il s.o. traduce automaticamente gli indirizzi virtuali (usati dalle applicazioni) in indirizzi fisici

memoria virtuale RAM

altri programmi

hard disk

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Memoria virtuale (esercizio)

1.  Start / Computer 2.  C:

3.  Visualizzare i file nascosti (Organizza / Opzioni cartella e ricerca / Visualizzazione / Visualizza cartelle, file e unità nascosti)

4.  pagefile.sys è il file di paging file di paging: la

parte dell’hard disk dedicata alla memoria virtuale

Memoria virtuale (esercizio)

Gestione attività (Ctrl+Alt+Canc) / Prestazioni RAM (512 MB)

memoria virtuale usata dal S.O. e dalle applicazioni

(Totale) e massima utilizzabile (Limite), cioè

RAM + file di paging

Memoria virtuale

• Cosa succede se si utilizza frequentemente una quantità di memoria virtuale molto più grande della memoria fisica?

• Thrashing(con la ‘h’, to thrash = dimenarsi):

il s.o. impiega più tempo a trasferire le pagine da e su disco che a effettuare lavoro utile

• Sintomo: l’hard disk viene usato

intensamente e il computer è inutilizzabile

• Soluzione: Aumentare la quantità di RAM oppure usare meno programmi

contemporaneamente

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Memoria virtuale

• Dato che la RAM è molto più veloce dell’hard disk, aumentare la quantità di RAM può migliorare le prestazioni del computer, perché il s.o. dovrà fare ricorso meno frequentemente all’hard disk per implementare la memoria virtuale

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Funzioni svolte dal sistema operativo (1)

•  Linguaggio ad alto livello per l’interazione con l’utente

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Il sistema operativo

• Due tipi di interazione utente/

sistema operativo:

– interazione testuale

• MS-DOS, Mac OS X, Linux – interazione grafica

• Mac OS X, Linux

• Windows

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Interazione testuale

•  Basata su comandi scritti tramite tastiera

•  L’interfaccia è più rapida da usare per utenti esperti

•  Richiede poca memoria principale

•  Script (programmi costituiti da comandi)

•  Molto usata nei sistemi Unix-like

Interazione testuale (esercizio)

Start/Tutti i programmi/Accessori/

Prompt dei comandi

Scrivere “dir” e premere Invio per visualizzare il contenuto della home directory

Interazione grafica

•  Basata su interfacce grafiche che presentano funzionalità comuni

– ai programmi sono associate finestre – interazione “point and click”

– tecnologia WYSIWYG

(What You See Is What You Get) – comandi uniformi:

es. Cancellare “oggetto” ⇒ taglia, Copiare “oggetto” ⇒ copia l’“oggetto” può essere testo, file, immagini, …

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Interazione grafica

• Concetti principali

– finestra – icona – menu – menu item – pop-up menu

(menu a tendina) – button (pulsante) – toolbar (barra

•  quando si modifica un file,

la nuova versione potrebbe essere più corta o più lunga:

– se più corta: rimangono pagine vuote – se più lunga: la modifica potrebbe essere

impossibile (perché c’è un file contiguo) Come risolvere questi problemi?

Il File System

Soluzione: utilizzo di un indice:

•  le pagine vengono numerate (come per i libri)

•  l’indice contiene - nell’ordine - i numeri delle pagine dei file

Vantaggi:

•  le pagine possono essere aggiunte, spostate, cancellate

senza sprechi di spazio,

senza limitazioni di dimensioni dei file (basta avere pagine libere)

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Il File System

•  L’indice è memorizzato sul dispositivo di mem. secondaria

•  Contiene i nomi dei file e le pagine (cluster) associate

•  L’utente può conoscere i nomi dei file memorizzati leggendo l’indice

•  Il file system usa l’indice per:

– reperire i cluster che compongono i file e

– trovare lo spazio libero per nuovi file

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Il File System

•  Esempio: ^indice

disco fisso

VUOTA VUOTA

VUOTA

VUOTA VUOTA VUOTA

VUOTA

Nota:

anche l’indice è su disco fisso

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Il File System

•  Esempio:

VUOTA VUOTA

VUOTA

VUOTA VUOTA VUOTA

VUOTA

1. crea file 1

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Il File System

•  Esempio:

•  file 1: cluster 0, 1, 2

1. crea file 1

VUOTA VUOTA

VUOTA

file 1 file 1 file 1

VUOTA VUOTA

VUOTA

Il File System

•  Esempio:

2. crea file 2

TA TA

TA

TA VUOTA

VUOTA

Il File System

•  Esempio:

•  file 2: cluster 3 2. crea file 2

TA TA

TA

file 1 file 1 file 1 file 2

TA VUOTA

VUOTA

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61

•  Esempio:

•  file 1: cluster 0, 1, 2, 4

•  file 2: cluster 3, 5

5. crea file 3

VUOTA VUOTA

VUOTA

file 3

VUOTA VUOTA

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67

Il File System

•  Esempio:

•  file 1: cluster 0, 1, 2, 4

6. crea file 4

VUOTA VUOTA

VUOTA

file 3

VUOTA VUOTA

68

Il File System

•  Esempio:

•  file 1: cluster 0, 1, 2, 4

6. crea file 4

VUOTA VUOTA

VUOTA

file 4 file 3

file 3

69

Il File System

•  Esempio:

•  file 1: cluster 0, 1, 2, 4

7. cancella file 3

VUOTA VUOTA

VUOTA

file 4 file 3

file 3

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Il File System

•  Esempio:

•  file 1: cluster 0, 1, 2, 4

7. cancella file 3

VUOTA VUOTA

VUOTA

file 4 file 3file 3

il file 3 viene eliminato solo dall’indice; i cluster 6 e 7 verranno sovrascritti alla

prima occasione

Il File System

•  Esempio:

•  file 1: cluster 0, 1, 2, 4

TA TA

TA

Notare la frammentazione: i

cluster di alcuni file non sono contigui

le 4 file 3file 3

Per deframmentare:

Start / Tutti i programmi / Accessori / Utilità di sistema / Utilità di deframmentazione dischi

Il File System: esercizio

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73

Il File System

Il file system deve fornire una visione astratta dei file, consentendo all’utente di:

• dare un nome ai file (filename)

• manipolare i file (operazioni): creare, cancellare, copiare, rinominare, modificare

• accedere alle informazioni indipendentemente dal supporto fisico (vedere file su hard disk e su CD allo stesso modo)

• strutturare i file (file con caratteristiche comuni possono essere ‘raggruppati’)

• proteggere (da lettura, scrittura, cancellazione) i file di utenti diversi

I moderni s.o. (es. Windows) forniscono queste

funzionalità ⁷⁴

Il File System

•  Tutti i sistemi operativi forniscono i seguenti comandi per operare sui file:

–  creazione –  cancellazione –  copia

–  visualizzazione –  stampa

–  lettura e modifica –  rinomina

–  visualizzazione delle caratteristiche di un insieme di file (dimensione, data di creazione e di ultima modifica, vincoli di protezione, tipo, ...)

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Organizzazione gerarchica dei file

•  Il numero di file memorizzati su disco può essere estremamente elevato

•  Un unico “contenitore” di file è scomodo:

–  per la ricerca di un file (‘Chissà come si chiama?’) –  per la creazione di un nuovo file (non si possono

avere due file con lo stesso nome)

•  Il s.o. deve fornire all’utente la possibilità di dare una struttura organizzata ai file

•  Idea: raggruppare i file, consentendo all’utente di seguire criteri di tipo logico

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Organizzazione gerarchica dei file

•  directory (o cartella): gruppo di file (e di altre directory)

il s.o. mette a disposizione comandi per creare directory

•  Nomi dei file locali alle directory

ok avere file con lo stesso nome in directory diverse

Come chiamare file e directory

•  I nomi di file in genere hanno due parti:

– nome: scelto dall’utente, il sistema impone regole sulla lunghezza massima e sui caratteri usabili

(ad es. non permessi i caratteri *, ?, /, \, <, >, …) – estensione: separata dal nome con ‘.’,

identifica il formato e/o l’applicazione che lo ha creato

• image1.jpg : un file immagine in formato JPEG

• tesi.doc : un documento Word

• tabella.xls : un foglio Excel

Come chiamare file e directory

•  Quando si rinomina un file, bisogna prestare attenzione all’estensione, per non perdere l’associazione all’applicativo

•  Se, ad es., “dimentico” l’estensione .xls, Windows potrebbe non “sapere” più che il documento è un foglio elettronico e quale applicativo usare per aprire il file

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Organizzazione gerarchica dei file

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Organizzazione gerarchica dei file

Disco

rimovibile (E:) Applicazioni

Libri

Appunti.txt Corsi

Elab_imm

Elab_suoni

Elab_testi

Francese

Inglese

Italiano Inglese

coreldrw.exe

photopnt.exe

Winword.exe Francese

Tedesco

libro1 libro2 libro1 libro2 libro3 libro1 libro2 libro3 Spagnolo

Appunti.txt Dispense.pdf

radice Struttura ad albero (rovesciato, come l’albero genealogico)

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Organizzazione gerarchica dei file

Naming dei file:

•  senza le directory, sarebbe sufficiente il nome per identificare un file

•  con un’organizzazione gerarchica a più livelli, non solo non è sufficiente il nome, ma neanche la directory in cui il file è contenuto.

Infatti possono esistere file e directory diversi con lo stesso nome (se contenuti in directory diverse)

•  Individuazione file o directory in modo univoco: sequenza di directory che lo

contengono, dalla radice (pathname assoluto) ₈₂

Organizzazione gerarchica dei file

Esempi :

•  il file libro1 in lingua italiana è identificato da

E:\Libri\Italiano\libro1

•  la directory Inglese di Corsi è identificata da

E:\Corsi\Inglese

•  “\” (backslash) è il separatore

(in Unix, Linux e Mac OS X si usa “/” (slash))

•  Un file è identificato dal pathname

Organizzazione gerarchica dei file

In alternativa, si può usare il concetto di posizione corrente:

•  Per identificare un file o una directory (in modo univoco),

si specifica la sequenza di directory che lo (la) contengono, a partire dalla posizione corrente

Organizzazione gerarchica dei file

Disco

Libri Corsi

Elab_imm

Elab_suoni

Elab_testi

Francese

Inglese Inglese

coreldrw.exe

photopnt.exe

Tedesco

libro1 libro2 libro1 libro2 libro3 Spagnolo

posizione corrente

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Organizzazione gerarchica dei file

Esempi :

•  Posizione corrente: Libri; il file libro1 in lingua italiana è identificato da

Italiano\libro1

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Organizzazione gerarchica dei file

Disco

Libri

Appunti.txt Corsi

Elab_imm

Elab_suoni

Elab_testi

Francese

Inglese

Italiano Inglese

coreldrw.exe

photopnt.exe

Tedesco

libro1 libro2 libro1 libro2 libro3 libro1 libro2 libro3 Spagnolo

posizione corrente

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Organizzazione gerarchica dei file

Esempi :

Posizione corrente: Inglese; il file Dispense.pdf è identificato da

Dispense.pdf

•  Un file è identificato dal pathname relativo

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Organizzazione gerarchica dei file

•  Per organizzare gerarchicamente i file in directory e sottodirectory, il s.o. fornisce alcune operazioni. Per es.:

– creare una nuova directory – cancellare una directory – rinominare una directory

– elencare il contenuto (l’insieme dei file e sottodirectory) di una directory

– spostare la directory stessa o parte del suo contenuto

– copiare il contenuto