ING CIRO RICCIOLezioni sui SISTEMI OPERATIVI 1 LEZIONI SUI SISTEMI OPERATIVI Ing. Ciro Riccio.

ING CIRO RICCIO Lezioni sui SISTEMI OPERATIVI1

LEZIONI

SUI

SISTEMI OPERATIVI

Ing. Ciro Riccio


Il sistema operativo

è l’interfaccia uomo-macchina.



E’ il programma responsabile del diretto controllo e gestione:

1) dell’ hardware2) delle operazioni di base3) dei processi che vengono eseguiti4) degli accessi degli utenti.


COMPONENTI DI UN SO

1) un gestore di file system che si occupa di esaudire le richieste di accesso alle memorie di massa,2)un gestore di memoria virtuale che alloca pagine di memoria a richiesta e si assicura che questa sia presente nella memoria fisica al momento giusto


COMPONENTI DI UN SO

3) uno scheduler che assicura ai vari processi in esecuzione una ben definita quantità di tempo di elaborazione, 4) uno spooler che accumula i dati da stampare e li stampa in successione,


COMPONENTI DI UN SO

5)una interfaccia utente (shell o GUI) che permette agli esseri umani di interagire con la macchina;6) un kernel, fulcro del sistema, che gestisce il tutto.


Kernel

Il kernel è il cuore di un sistema operativo. Si tratta di un software che ha il compito di fornire ai moduli che compongono il sistema operativo e ai programmi in esecuzione sul computer le funzioni fondamentali ed un accesso controllato all'hardware, sollevandoli dai dettagli della sua gestione.


File systemIl file system è il modo in cui i file sono immagazzinati e organizzati su un dispositivo di archiviazione, come un hard disk o un CD-ROM. Esistono molti tipi di file system, creati per diversi sistemi operativi, per diverse unità di memorizzazione e per diversi usi


Scheduler

Lo scheduler è il componente fondamentale dei sistemi operativi multitasking, cioè quelli in grado di eseguire più processi (task) contemporaneamente.


Lo scheduler si occupa di fare avanzare un processo interrompendone temporaneamente un altro, realizzando così un cambiamento di contesto (context switch). Generalmente computer con un processore sono in grado di eseguire un programma per volta, quindi per poter far convivere più task è necessario usare lo scheduler.


Gestore di memoria

Il gestore di memoria è la componente del sistema operativo che si occupa di gestire ed assegnare la memoria ai processi che ne fanno richiesta.


La gestione della memoria è necessaria per tenere traccia di quanta memoria è impegnata e di quanta invece è disponibile per soddisfare nuove richieste: in mancanza di un sistema di gestione, si avrebbe prima o poi il caso di processi che ne sovrascrivono altri, con gli ovvi inconvenienti.


Interfaccia utente

Si tratta di un programma che permette all'utente di interagire con il computer. Esistono sostanzialmente due famiglie di interfacce utente: interfaccia a linea di comando e interfacce grafiche (GUI).


Spooler di stampa

Lo spooler di stampa è stato storicamente il primo modulo esterno del sistema operativo ad essere implementato, per risolvere il problema della gestione delle stampe su carta.


Infatti, essendo le stampanti elettromeccaniche dei dispositivi molto lenti, i primi programmi per elaboratore dovevano necessariamente sprecare molto tempo di CPU, estremamente prezioso all'epoca, per controllare la stampante ed inviarle i dati.


Quindi venne ideato un programma separato, che girava con una priorità molto bassa e che era visto dagli altri programmi come una normale stampante: in realtà invece lo spooler accumulava i dati che un programma doveva stampare in una apposita area di memoria, e poi si faceva carico del processo di stampa


Gestire le periferiche:

un processo che ha bisogno di accedere ad una periferica manda un interrupt (interrupt software) e si mette in attesa, la CPU passa il controllo al kernel, che provvede all'I/O per conto del processo, poi fa ripartire il processo, o un altro se lo scheduling lo prevede.


Analogamente una periferica che ha finito il suo lavoro ed ha bisogno della CPU ad esempio deve comunicare che l'utente ha battuto un tasto, manda un interrupt (interrupt hardware) alla CPU, la CPU interrompe il processo in corso e passa il controllo al sistema operativo, che tratta i dati letti dalla periferica e fa quanto necessario.


Sistema multiutente

Se un computer può far girare più programmi contemporaneamente, allora può anche accettare comandi da più utenti contemporaneamente…….

Problema………………….


ma fa sorgere una serie di nuovi problemi dal punto di vista della sicurezza del sistema: come distinguere i vari utenti tra loro, come accertarsi che nessun utente possa causare danni agli altri o alla macchina che sta usando ecc.


i diversi sistemi operativi, sono progettati in modo che questo tipo di operazioni avvengano nel più breve tempo possibile e senza “conflitti”




Cos’è un sistema operativo ?

Hardware

Sistema Operativo

Applicazioni

È il livello di SW con cuiinteragisce l’utentee comprende programmi quali :CompilatoriEditori di testiFogli elettroniciSistemi bancariNavigatori per Web…..

Software

È il livello di SW che interagisce direttamentecon l’hw e che si occupa di una uso correttoed efficiente delle risorse fisiche (processore, memorie,periferiche etc.)

WindowsUnix/LinuxMac OS

gcc, Word, PowerPointExcel, ExplorerFotoshop, Gimp


Quali sono le funzioni di un SO ?

• Esegue applicazioni : – carica il programma binario prodotto della compilazione (e

residente su disco) nella RAM, – cede il processore all’applicazione da eseguire

• Facilita l’accesso ai dispositivi di I/O– interagisce con le periferiche facendosi carico di tutti i dettagli

fisici (es. modem, reti, video…)– mette a disposizione operazioni di lettura/scrittura ad alto

livello che possono essere usate senza conoscere i dettagli tecnici della periferica


Quali sono le funzioni di un SO ? (2)

• Archivia dati e programmi : – mette a disposizione dell’utente una visione

astratta della memoria secondaria (il file system basato sulle astrazioni : file/archivi e folder/cartelle)

– gestisce la realizzazione di queste astrazioni sul supporto fisico (disco) gestendo tutti i dettagli legati alla lettura/scrittura dei settori



• Gestisce le risorse– ripartisce le risorse disponibili fra le varie applicazioni

(processore, RAM, periferiche)

– evita che ci siano malfunzionamenti dovuti all’uso contemporaneo di risorse

• es: un word processor e un web browser che inviano contemporaneamente dati alla stampante provocano una stampa erronea

– ottimizza le prestazioni scegliendo delle politiche che permettano di sfruttare al meglio tutte le parti del computer



• Gestisce malfunzionamenti del sistema– rileva e gestisce situazioni anomale

• es: se il disco ha un settore difettoso, il SO può trasportare automaticamente le informazioni residenti su quel settore da un’altra parte

• es: se un’applicazione cerca di effettuare una operazione non permessa (come leggere i dati di un’altra applicazione) può bloccare l’applicazione segnalando all’utente la situazione erronea








Quali sono le parti di un SO ?

Gestore delprocessore

Gestore dellamemoria

File systemGestore delleperiferiche

Interprete di comandi (shell)Applicazioni

Hw

Interfaccia grafica(desktop)


Stato utente e stato supervisore

• Stato utente : – modalità di funzionamento del computer che

permette l’accesso solo a un numero limitato di risorse

• es : un sottoinsieme delle istruzioni assembler (non si può accedere alle istruzioni che istruiscono le interfacce di I/O), una sola parte della RAM etc.

• Stato supervisore :– modalità che permette l’accesso a tutte le risorse


Stato utente e stato supervisore (2)

Gestore delprocessore

Gestore dellamemoria

File systemGestore delleperiferiche

Interprete di comandi (shell)Applicazioni

Hw

Eseguitiin stato utente

Eseguitiin stato supervisore

Interfaccia grafica(desktop)


Stato utente e stato supervisore (3)

• I programmi che girano in stato utente richiedono servizi al SO tramite invocazione di sottoprogrammi speciali – system call o chiamate di sistema

• Il sistema operativo decide come e quando effettuare il servizio

• Il sistema operativo può interrompere un programma che gira in stato utente per eseguire altri programmi o per effettuare operazioni di ‘gestione’ della macchina


Gestione del processore


Esecuzione di un programma

Data Flow

Codifica in un linguaggio diprogrammazione (C, Java etc)

Programma

Compilatore

Input : programma

Output : rappresentazione comprensibile alla macchina

Eseguibile

Passo 1 :scrivere e compilare il programma


Esecuzione di un programma (2)• Come è organizzata la rappresentazione binaria eseguibile

del programma (spazio di indirizzamento):

testo

dati

Stack/pila

Struttura chepermette di realizzarecorrettamente il meccanismodi chiamata a sottoprogrammi

Codifica binaria delleistruzioni assembler in cuiil programma è stato tradotto

Codificabinaria dei dati

0

232 - 1

È un array di parole !


Esecuzione di un programma (3)• Passo 2 :

– ricopiare lo spazio di indirizzamento di un programma da memoria secondaria a RAM

Sistema Operativo

Spazio programma 1

Area riservata, non accessibilein modalità utente

Una possibile organizzazione della RAMcon più programmi attivicontemporaneamente

0

AmpiezzaRAM - 1

Spazio programma 2

Spazio programma 3


Esecuzione di un programma (4)• Passo 3 :

– modificare il PC del processore in modo che contenga correttamente l’indirizzo della prima istruzione assembler da eseguire nel nostro programma

Sistema Operativo

Spazio programma 1

0

AmpiezzaRAM - 1

Spazio programma 2

Spazio programma 3

440Prima istruzioneda eseguire nel programma 2

È l’indirizzo da scrivere nel PC


Esecuzione di un programma (5)• Quando un programma utente è stato attivato il processore esegue una dopo l’altra le istruzioni assembler che lo compongono • Un programma in esecuzione viene detto ‘processo’ • Problema : Come fa il Sistema Operativo a riprendere il controllo del processore dopo l’attivazione di un processo?

– Terminazione (normale o erronea)– Interruzione


Terminazione di un processo• Un processo termina :

– Quando esegue una istruzione assembler di terminazione

– Quando effettua una operazione illecita (es. cerca di accedere a memoria privata di altri processi)

– Quando c’è un errore che non lo permette di proseguire (es. overflow, etc)

• In tutti questi casi il processore ricomincia automaticamente ad eseguire il sistema operativo ad un indirizzo prefissato


Interruzione di un processo• Il sistema operativo può bloccare un processo in un qualsiasi istante della sua

esecuzione per effettuare qualche operazione di gestione della macchina

• Questo avviene attraverso il meccanismo hardware delle interruzioni


Interruzione di un programma (2)

• Come funzionano le interruzioni– ogni periferica può ‘richiedere attenzione’ inviando un segnale di interruzione usando le linee di controllo del

bus– alla fine dell’esecuzione di ogni istruzione assembler il processore controlla la presenza di una interruzione– se è presente il controllo passa automaticamente al sistema operativo


Il gestore del processore • Nei computer attuali, tutti i programmi che

compongono il SO ed i programmi applicativi ‘avviati’ sono attivi contemporaneamente sul calcolatore (multiprogrammazione)– es : Windows 2000 + Word + cd player ...

• Il gestore del processore si preoccupa di far condividere il processore a tutti i programmi attivi in modo corretto – lo scopo è dare l’impressione che ognuno abbia il suo

processore dedicato


Il gestore del processore (2)

• Si usa la tecnica dei quanti di tempo– es: 3 programmi attivi Prog1, Prog2, Prog3– vengono mandati in esecuzione ciclicamente

Quanto 20-100 ms

Eseguo Prog1 Eseguo Prog2 Eseguo Prog3

Periferica ‘orologio interno’

Eseguo Prog1

Interruzione : il SO riprende il controllo e decide chieseguire nel quanto successivo


Gestione della memoria


Il gestore della memoria

• Tutti i programmi che compongono il SO ed i programmi applicativi attivi usano contemporaneamente la RAM

• Il gestore della memoria si preoccupa di fare condividere la RAM ai vari processi in esecuzione in modo che :– ogni processo abbia il suo spazio privato distinto dagli

altri (e inaccessibile agli altri)

– ogni processo abbia abbastanza memoria per eseguire il proprio algoritmo e raccogliere i suoi dati


Il gestore della memoria (2)• La gestione statica

– ricopiare interamente lo spazio di indirizzamento di un programma da memoria secondaria a RAM all’inizio dell’esecuzione

– abbiamo già visto un esempio :

Sistema Operativo

Spazio programma 1

Area riservata, non accessibilein modalità utente

Una possibile organizzazione della RAMcon più programmi attivicontemporaneamente 0

AmpiezzaRAM - 1

Spazio programma 2

RAM vuota


Il gestore della memoria (3)• Problemi della gestione statica

– non posso girare programmi con spazio di indirizzamento grande della RAM !• Attualmente ogni programma usa almeno 4GB di spazio di indirizzamento, con RAM assai più piccole…

• Soluzione : gestione dinamica (a pagine)– ad ogni istante carico in RAM solo i pezzi che mi servono per l’esecuzione corrente


Il gestore della memoria (4)• Paginazione

– lo spazio di indirizzamento di ogni processo è diviso in ‘fette’ (pagine) tutte della stassa ampiezza

01234..

Programma 1

Pagina : ‘fetta’ dello spazio di indirizzamento (1-4K)

01234..

Programma 2

01234..

Programma 3


Il gestore della memoria (5)• Paginazione

– ad ogni istante solo le pagine necessarie sono caricate in memoria (località!)

Sistema Operativo

RAM vuota

RAM vuota

01234..

Programma 1

01234..

Programma 2

01234..

Programma 3


Gestione delle periferiche


Driver e controller

Ogni periferica è gestita da due entità cooperanti :

• il controller :un dispositivo hardware che colloquia direttamente

con la parte elettrico/meccanica della periferica

• il driver :un programma software che fa parte del sistema

operativo e che conosce le caratteristiche della periferica ed è capace di colloquiare con il controller


Driver e controller (2)

• Solitamente il driver non è sviluppato da chi costruisce il SO (es. Microsoft) ma da chi costruisce il dispositivo

• Quando viene acquistata una nuova periferica il driver corrispondente deve essere inserito nel Sistema Operativo (installazione)– operazione rischiosa, perché se il nuovo driver è difettoso

può rovinare il vostro sistema (il driver essendo nel SO ha accesso a tutta la macchina senza restrizioni!….)


Driver e controller (3)

• Quando si installa un nuovo driver bisogna fornirgli delle informazioni a basso livello per permettergli di colloquiare correttamente con il resto del sistema (configurazione)– es: stabilire quali linee del bus utilizzare per inviare una

interruzione ...

• Periferiche plug&play : quelle per cui la configurazione può essere fatta automaticamente dal sistema– sono generalmente tutte così nei PC odierni


Il File system


File System

• È la parte del SO che – permette di memorizzare dati e programmi in

modo persistente– permette di organizzare dati e programmi in

modo da renderne agevole la localizzazione da parte dell’utente umano

– può essere modificata per cancellare dati obsoleti, aggiornare l’organizzazione etc ..


File System (2)

• Le astrazioni fornite sono : – il file (o archivio) : una sequenza di byte che

contiene dati o programmi rappresentati con una opportuna codifica binaria

– il folder/directory (o cartella) : astrazione che permette di collezionare insieme più file e/o folder


File System (3)

• Esempio : una possibile organizzazione dei file relativi ai diversi corsi che insegno

File:lucidilez1

File:lucidilez2

File:compiti e voti

Folder : inf_gen

Folder : sis_op

Folder : corsi


File System (4)• La struttura è gerarchica (ad albero)

File:lucidilez2

File:compiti e voti

Folder : inf_gen

Folder : corsi

Folder : sis_op

File:lucidilez1

Contenuto delfolder ‘corsi’


File System (5)• La struttura è gerarchica (ad albero)

File:lucidilez2

File:compiti e voti

Folder : inf_gen

Folder : corsi

Folder : sis_op

File:lucidilez1

Contenuti deidue folder inf_gen e sis_op


File

• Come si crea un file– utilizzando una applicazione

• editori di testi per creare file di testo secondo diversi formati (doc,html,text) es. Word

• applicazioni per gestire grandi quantitì di dati persistenti (basi di dati) es. Access

• fogli elettronici es. Excel

– dando comandi diretti al SO• es. chiedendo di duplicare un file esistente (taglia e

incolla …) via shell o interfaccia grafica


File (2)

• Nome di un file– ogni file ha un nome (es lez1.doc, lez2.ppt etc)– il nome deve essere unico nel folder che contiene il

file– la parte dopo il punto (.) si chiama ‘estensione’

di solito l’estensione da informazione sul formato del file e/o sull’applicazione utilizzata per crearlo

lez2.pptestensione


File (3)

• Nome di un file (cont.)– alcuni SO (come Windows) non mostrano

normalmente l’estensione • lez1.doc viene mostrato come ‘lez1’

– tuttavia l’estensione è presente e serve al sistema per capire che tipo di file è e quale applicazione attivare quando desideriamo ‘leggerlo’

• es. un doppio click su un file lez1 attiva automaticamente Word per visualizzarlo


Folder

• Anche i folder sono identificati univocamente da nomi – es inf_gen, corsi– non usano estensioni

• contengono solo informazioni sui file/folder contenuti (il formato di queste dipende dal dal file system usato, e quindi dal SO)

• non dobbiamo discriminare fra codifiche diverse


Folder (2)

• Per creare un folder basta invocare una opportuna funzione del SO – es. scegliere una opportuna opzione (new folder,nuova

cartella) in un menu dell’interfaccia grafica

• Per cancellare file/folder basta invocare una opportuna funzione del SO – es. trascinarli con il mouse fino al cestino

• I file/folder possono essere spostati da un folder all’altro


Sicurezza

• Come evitare che i nostri file siano letti da altri utenti che hanno accesso al sistema?– Assegnare ad ogni utente : Account (nome unico

identificativo) e password (segreta, abbastanza complessa!)

– Ogni file appartiene ad un utente – Il proprietario può specificare se un file può essere letto

o scritto anche da altri– Il file system al momento dell’accesso controlla che

l’operazione sia effettivamente consentita


Sicurezza (2)

• Il superutente (root,administrator)– E’ l’account dell’amministratore del sistema

– Può accedere in maniera non ristretta dappertutto

– I file del sistema operativo sono generalmente dell’utente root e non sono accessibili da nessun altro utente

– …… ovviamente il superutente è oggetto di numerosi tentativi di violazione

• termini come attack, hacker si riferiscono a questo


Sicurezza (3)

• I vecchi sistemi Windows (3.1,95,98) non avevano alcun meccanismo di protezione– tutto gira in stato kernel

– da cui la facilità di danneggiare il sistema operativo o i file utente (es. con virus)

– molto pericoloso in connessioni Internet non sporadiche

• Windows NT, 2000, XP sono protetti– è necessario però creare utenti non privilegiati

• Sistemi Unix/Linux protetti fino dagli anni 70

Date post:	01-May-2015
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