1 Elementi di Informatica a.a. 2015/16 - Prof. G.A. Di Lucca Dipartimento di Ingegneria - Univ. del Sannio - CdL Ingegneria Energetica Elementi di Informatica Prof. G. A. Di Lucca - Univ. del Sannio 1 Elemento principale del cosiddetto software di base. Insieme di programmi tra loro interagenti e cooperanti per la gestione delle risorse hardware e software Realizza un’interfaccia (software) tra l’utente e lo hardware facilitando l’uso del sistema e fornendo un sistema ‘virtuale’ più semplice da usare rispetto allo hardware effettivamente a disposizione superamento dei problemi relativi alla gestione e limitazione delle risorse hardware permettere la condivisione delle risorse, regolandone l’accesso da parte di utenti / programmi diversi IL SISTEMA OPERATIVO Elementi di Informatica Prof. G. A. Di Lucca - Univ. del Sannio 2 Il sistema operativo virtualizza le caratteristiche dello Hardware offrendo agli utilizzatori la visione di una macchina astratta più semplice da usare di quella fisicamente disponibile IL SISTEMA OPERATIVO HW Sistema Operativo Software Applicativo …. Sistema operativo come necessario intermediario …. …. macchina virtuale a ‘strati’ …. … ogni ‘strato’ risolve uno specifico problema …. SW= Sistema Operativo + SW applicativo
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IL SISTEMA OPERATIVO...IL SISTEMA OPERATIVO Elementi di Informatica Prof. G. A. Di Lucca - Univ. del Sannio 2 Il sistema operativo virtualizza le caratteristiche dello Hardware offrendo
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Elementi di Informatica a.a. 2015/16 - Prof. G.A. Di Lucca
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Elementi di Informatica
Prof. G. A. Di Lucca - Univ. del Sannio 1
Elemento principale del cosiddetto software di base.
Insieme di programmi tra loro interagenti e cooperanti per la gestione delle
risorse hardware e software
Realizza un’interfaccia (software) tra l’utente e lo hardware facilitando
l’uso del sistema e fornendo un sistema ‘virtuale’ più semplice da usare
rispetto allo hardware effettivamente a disposizione
superamento dei problemi relativi alla gestione e limitazione delle
risorse hardware
permettere la condivisione delle risorse, regolandone l’accesso da parte
di utenti / programmi diversi
IL SISTEMA OPERATIVO
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Il sistema operativo virtualizza le caratteristiche dello Hardware offrendo
agli utilizzatori la visione di una macchina astratta più semplice da usare
di quella fisicamente disponibile
IL SISTEMA OPERATIVO
HW
Sistema Operativo
Software Applicativo
…. Sistema operativo come necessario
intermediario ….
…. macchina virtuale a ‘strati’ ….
… ogni ‘strato’ risolve uno specifico
problema ….
SW= Sistema Operativo + SW applicativo
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Sistema operativo
• ha accesso a tutte le risorse;
• stabilisce in che ordine e come le richieste di elaborazione ricevute
devono essere soddisfatte
• può utilizzare tutte le istruzioni del processore (esecuzione in modalità
supervisore);
Software applicativo e Sistema Operativo
Programmi applicativi
• non possono decidere autonomamente quando e come avere accesso
alle risorse del sistema (richiedono al sistema operativo l’esecuzione di
alcuni servizi)
• hanno accesso diretto ad un insieme ridotto di risorse;
• possono utilizzare solo un sottoinsieme delle istruzioni del processore
(esecuzione in modalità utente);
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IL SISTEMA OPERATIVO
Software di base per la gestione di:
risorse Hw
Gestione e allocazione della CPU, memoria, dispositivi I/O, ...
lavori
Pianificazione ed esecuzione dei lavori di utente
interpretazione richieste utente e attivazione lavori
Organizzazione logica e fisica dei dati nelle memorie di massa e per
il trasferimento dei dati da e per le periferiche
In modo del tutto trasparente agli utenti
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Permette di:
• sviluppare programmi applicativi in modo (più) semplice e (più)
indipendente dallo specifico calcolatore operante con un determinato
sistema operativo;
• rendere trasparente ai programmi applicativi ed all’utente modifiche al
software di base ed allo hardware
Vantaggi di un SO
senza un sistema operativo il programmatore deve :
• introdurre nei programmi anche le funzionalità di gestione dell’hardware.
• interagire direttamente con i dispositivi fisici,
• gestire le esecuzioni contemporanee di più programmi alla volta
il sistema operativo fornisce all'utente un'interfaccia conveniente
che rende più semplice ed agevole l’uso della macchina
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Esecuzione di programmi applicativi • caricamento del programma (istruzioni e dati) nella memoria centrale
• inizializzazione dei dispositivi di ingresso/uscita
• preparazione e gestione di altre risorse come la rete di comunicazione
Accesso ai dispositivi di ingresso/uscita • gestione dei segnali necessari per il trasferimento dei dati
• consente all’utente di ragionare in termini di operazioni astratte di lettura e scrittura
Archiviazione di dati e programmi • fornire un’organizzazione logica dei dati sotto forma di cartelle (directory) e file
• gestire le operazioni di basso livello per il relativo ingresso/uscita
Controllo di accesso • condivisione di risorse da parte di più utenti o applicazioni
• meccanismi di protezione e politiche di risoluzione degli eventuali conflitti d’uso
Contabilizzazione • ottimizzare il tempo di risposta dei programmi interattivi
• contabilizzare agli utenti i costi dell’impiego del sistema
Gestione dei malfunzionamenti • rilevare e, se possibile, risolvere eventuali malfunzionamenti provocati da guasti hardware,
o da operazioni scorrette compiute dal software applicativo
Principali funzioni di servizio di un SO
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PRINCIPALI ELEMENTI DI UN SISTEMA OPERATIVO
Sistema
Operativo
Utente
Nucleo (o kernel)
[gestione processore]
Hardware
Software
applicativo
Gestione
periferiche
File
system Interfaccia
con la rete
Gestione
memoria
Interprete
comandi
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Organizzazione di un S.O.
Gerarchia di macchine virtuali
Ogni macchina virtuale è un insieme
di programmi che realizza delle
funzionalità utilizzanti i servizi
forniti a livello inferiore
Ogni macchina virtuale ha il compito
di gestire risorse specifiche di
sistema regolandone l’uso e
mascherandone i limiti
La visione della macchina virtuale a
livello N è quella fornita dallo HW e
dagli strati del SO fino all’N-esimo
incluso
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Un S.O. gestisce una qualsiasi elaborazione come:
“un insieme di unità di elaborazioni parziali”
dette P R O C E S S I
Concetto di “processo”
PROCESSO:
La minima unità di lavoro che il S.O. predispone per la esecuzione e
che possa individualmente richiedere l’uso della CPU
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Programma:
entità statica composta da codice eseguibile dal processore.
Processo:
entità dinamica che corrisponde al programma in esecuzione, composto da:
• testo/codice (il programma);
• dati (quelli che servono per l’esecuzione del programma);
• stato (a che punto dell’esecuzione ci si trova, contenuto di registri, …).
N.B: ad un programma possono corrispondere diversi processi contemporaneamente in esecuzione
Un processo può attivare l’esecuzione di un altro processo
processo padre – processo figlio
Processo e programma
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Nucleo (kernel) • Interagisce direttamente con l’hardware
• Si occupa dell’esecuzione dei programmi e della risposta agli eventi
esterni generati dalle unità periferiche.
• Scopo principale: gestire i processi corrispondenti ai programmi che
sono contemporaneamente attivi.
• Fornisce alle macchine virtuali di livello superiore la visione di un
insieme di unità di elaborazione virtuali ciascuna dedicata a un
processo presente in memoria
• Gestisce il contesto di esecuzione dei vari processi
• Attua una politica di alternanza (scheduling) nell’accesso alla CPU
da parte dei processi in esecuzione (definisce quale programma è da
eseguire in ogni istante).
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Gestore della memoria
• Controlla l’allocazione della memoria centrale ai diversi programmi che
possono essere contemporaneamente in esecuzione, al fine di risolvere
le relative esigenze dei vari processi in modo trasparente ed efficiente.
• Si occupa di:
– proteggere programmi e relativi dati caricati nella memoria di lavoro;
– mascherare la collocazione fisica dei dati;
– permettere, in modo controllato, la parziale sovrapposizione degli
spazi di memoria associati ai vari programmi.
• Fornisce alle macchine la possibilità di lavorare come se esse avessero a
disposizione una memoria dedicata, di capacità anche maggiore di
quella fisicamente disponibile.
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Gestore della memoria
• Applica tecniche per gestire il conflitto fra dimensione della memoria fisica e spazio
complessivo richiesto dai programmi che devono essere eseguiti in modo concorrente
e dai relativi dati.
• Combina le seguenti strategie:
– consentire il caricamento di un programma a partire da un indirizzo qualunque della
memoria;
– ridurre la necessità di spazio tenendo in memoria solo una porzione dei programmi e dei
dati;
– condividere parte delle istruzioni (codice eseguibile) fra diversi processi corrispondenti a
uno stesso programma.
• Il gestore della memoria
– garantisce ai vari processi uno spazio di indirizzamento virtuale in cui lavorare, che può
essere superiore alla memoria fisica presente nel calcolatore
– mette in atto dei meccanismi di protezione che tutelano la privatezza dello spazio di lavoro
assegnato a ogni processo.
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Gestore della memoria
Paginazione • Frammentazione della memoria (logica e fisica) in blocchi di dimensioni
prefissate: le pagine.
• Lo spazio logico di indirizzamento del processo è suddiviso in sezioni, di dimensioni fisse e uguali fra loro, dette pagine logiche
• Lo spazio fisico di indirizzamento disponibile nel calcolatore è anch’esso suddiviso in pagine fisiche, della stessa dimensione delle pagine logiche.
• Meccanismo: Vengono caricate, in alcune pagine fisiche della RAM, solo alcune pagine logiche del codice in esecuzione. Le pagine logiche necessarie vengono caricate di volta in volta, in base all’esigenza.
• La paginazione permette di risolvere problemi per:
• Allocare un processo in memoria
• Superare il numero di processi che si possono gestire contemporaneamente
• Superare la dimensione fisica della memoria di lavoro
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Memoria logica
del processo 2
(4 pagine logiche)
Spazio logico
PL0
PL1
PL2
PL3 Memoria logica
del processo 1
(2 pagine logiche)
Spazio logico
PL0
PL1
15
Gestore della memoria
Paginazione
Memoria fisica del
calcolatore suddivisa in 8
pagine
Spazio fisico
PF0
PF1
PF2
PF3
PF4
PF5
PF6
PF7
Corrispondenza tra Pagine Logiche (PL) contigue e Pagine Fisiche (PF) non
contigue
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Gestore della memoria Memory Management Unit - MMU
• Serve un dispositivo dispositivo hardware aggiuntivo in grado di convertire gli indirizzi
logici cui fa riferimento il programma nei corrispondenti indirizzi fisici: Memory
Management Unit.
• La MMU utilizza una tabella delle pagine: – mantiene la relazione tra ogni pagina logica e l’indirizzo della pagina fisica corrispondente.
Memoria logica del processo
1 (2 pagine logiche)
Memoria fisica del calcolatore suddivisa
in 8 pagine
Memoria logica del
processo 2 (4 pagine
logiche)
Spazio logico
PL0
PL1
Spazio logico
PL0
PL1
PL2
PL3
Spazio fisico
PF0
PF1
PF2
PF3
PF4
PF5
PF6
PF7
Tabella pagine del processo 1
0
1
PF3
PF4
Tabella pagine del
processo 2
0
1
PF1
PF2
2
3
PF0
PF5
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Gestore delle periferiche • Gestisce l’accesso ai dispositivi di I/O
• Fornisce una visione del sistema in cui i processi possono operare mediante periferiche astratte.
• Maschera le caratteristiche fisiche delle periferiche e le specifiche operazioni di ingresso/uscita
• Controlla e maschera gli eventuali conflitti che possono insorgere nel caso che diverse richieste arrivino contemporaneamente ad uno stesso dispositivo
• Ogni processo ha a disposizione delle periferiche virtuali
• Due elementi di base:
• BIOS (Basic Input Output System) : software usato per standardizzare l’accesso ai diversi tipi di periferica
• Driver: software per il controllo e funzionamento di interfacce Hw che consentono l’accesso a specifiche periferiche
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Gestore delle periferiche • Il BIOS (Basic Input Output System) svolge anche le funzioni necessarie
all’avvio del computer (bootstrap)
• Inizializza lo Hw
• Controlla la memoria
• Verifica quali periferiche sono collegate
• Effettua diagnostica dei vari dispositivi / componenti
• Effettua il boot (caricamento) in memoria centrale della parte iniziale del sistema operativo
• Inizializza, e permette di modificare, il setup del computer
• Data e ora
• Numero e tipo di unità di memoria di massa
• ……
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• Obiettivo:
gestire l’allocazione fisica dei dati nelle memorie di massa,
consentendone l’archiviazione ed il reperimento
presentare all’utente l’organizzazione logica dei dati e le operazioni che è
possibile compiere su di essi.
• Operazioni di base di un file system:
– memorizzazione di dati nelle memorie di massa
– recupero di dati precedentemente memorizzati;
– eliminazione (cancellazione) di dati obsoleti;
– modifica/aggiornamento di dati preesistenti;
– copia di dati (e.g. da HD a FD) per backup o per il trasferimento;
– …
servizi forniti sia ai programmi applicativi che direttamente agli utenti.
File system
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File system
FILE
- File : l’oggetto elementare su cui opera il file system
- Una raccolta di dati registrati su memoria di massa
(il file è visto dal S.O. come una sequenza di byte)
Contenitore logico di informazioni (dati/istruzioni) permanenti
…. dal punto di vista dell’utilizzatore ...
…. dal punto di vista del S.O.
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File - Caratterizzato da:
• Identificatore (nome.estensione)
• Periferica (device) e percorso sulla periferica
• Data creazione
• Dimensione
• Posizione effettiva dei dati nella memoria di massa
• Altre informazioni
• applicazione sw che consente all’utente di “usare” il file
• data di ultima modifica
• diritti di accesso al contenuto del file
• …
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testo (ASCII): una sequenza di caratteri
es. programma sorgente (es. in linguaggio C)
binari: una sequenza di byte
eseguibili (programmi)
non eseguibili (es. immagine, documento word)
Alcuni S.O. (es. MS-Windows) associano tipi diversi a file prodotti con
programmi diversi (es. Word, Excel, ...)
Tipi di File
Una prima distinzione di massima
I file dati prodotti da un programma possono essere di testo
o binari (dipende dal programma)
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… un raccoglitore in cui sono memorizzati tutti i nomi dei file, più
tutta una serie di informazioni ausiliarie...
Il Catalogo (directory o cartella)
I file sono organizzati in Cataloghi, detti anche directory o cartelle
… data e ora di creazione / ultima modifica, dimensioni, autore, diritti di accesso ...
… una directory (cartella) al suo interno conterrà file e/o altre cartelle ...
… una direcory è considerata essa stessa un file ...
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Organizzazione gerarchica delle directory
Le directory sono organizzate in una struttura gerarchica
\
f 1 . . . f n D 1 D i . . . . . . D n
f i1 . . . f in D i1 D in . . .
. . . \:radice
f:file
D:cartella
… tipicamente, la radice dell’albero è costituita dall’unità di memoria di massa ...
… la gerarchia è rappresentabile secondo un albero ...
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Nomi di file e directory
Tipicamente i nomi di file si compongono di un nome e di un’estensione
Nomefile.Estensione
nome del file In genere 3 lettere che
definiscono il “tipo” di file
- MS-Windows 95/98/XP/…. può
gestire nomi lunghi fino a 254
caratteri
… regole per la composizione del nome
dei file (tipicamente diverse per diversi
S.O.) ...
- Es: in MS-Windows 95/98/XP ….
L’estensione:
.doc è associata a file prodotti con MS-
Word
.mdb a file prodotti con MS-Access
.xls a file prodotti con MS-Excel
.exe a file eseguibili
N.B. in UNIX non c’è lo stesso concetto di
estensione …
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Nome di file e directory
Il nome di un file può essere completato con l’indicazione (percorso)
delle directory in cui esso è contenuto … il nome completo di un file individua quel file specificandone la
collocazione nella struttura gerarchica del file system …
… il nome completo di un file specifica il percorso lungo l’albero per
raggiungere la sua collocazione ...
percorso \ nomefile Percorso => le directory da attraversare lungo
l’albero per raggiungere la collocazione del file
\ => separatore tra nomi directory
Il nome di un file individua univocamente un file all’interno di una
directory … in una directory non possono esserci più file con lo stesso nome …
… in directory diverse possono esserci file con lo stesso nome …
Il nome completo di un file è indicato con la notazione
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Nome di file e directory
Il percorso individua le directory da percorrere per raggiungere la