UD 1.5c: Il Sistema
Operativo
Il Sistema Operativo
E’ in assoluto il prodotto più complesso mai progettato e
realizzato dagli uomini.
Windows XP conta 40 Milioni di linee di codice
Stampate su fogli A4, con interlinea singola, occuperebbero
750.000 pagine (750 volumi da 500 pagine l’uno)
Senza Sistema Operativo non sarebbe possibile utilizzare i
moderni computer (se non in casi speciali)
16 nov 2011
Supervisiona e gestisce l’intero sistema.
Carica ogni programma dal disco fisso in RAM e lo esegue
Determina dove e come memorizzare dati e programmi sui
dischi.
Permette l’interazione tra programmi, utenti e hardware
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Le funzioni principali del S.O.
Gestisce le risorse hardware del sistema di elaborazione
Controlla, ottimizza l’uso e coordina la comunicazione tra le varie
risorse hardware del computer, sia principali (processore e RAM)
che periferiche (memorie di massa, schermo, stampanti, tastiera,
ecc.).
Gestisce le risorse software del sistema di elaborazione
Pilota e controlla l’esecuzione degli altri programmi
Assegna le risorse ai programmi applicativi e ne controlla
l’attività, per evitare che entrino in conflitto fra loro.
16 nov 2011
Gestisce l’interazione tra utente e macchina. Ogni operazione che
l’utente svolge sul computer viene intercettata dal S.O.
direttamente quando l’utente con dei comandi esegue certe
operazioni predefinite
indirettamente quando si serve di programmi applicativi per
svolgere operazioni più complesse
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BIOS
BIOS è software memorizzato perennemente in ROM (oggi
EEPROM).
E’ una via di mezzo tra hardware e software (Firmware).
BIOS accede alle informazioni sulle periferiche (Setup del computer)
memorizzate nella CMOS
CMOS: Piccola porzione di
memoria, presente sulla scheda
madre di un PC, che contiene
informazioni
necessarie
al
funzionamento del PC.
La memoria CMOS è alimentata
dalla corrente di casa quando il
PC è sotto tensione e da una
piccola pila a bottone presente
sulla mainboard quando ci
troviamo
in
assenza
di
alimentazione.
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16 nov
2011
BIOS
Il BIOS fornisce il collegamento tra il software e
l’hardware. In particolare, Il BIOS è lo strumento
utilizzato dal SO per accedere all’hardware.
Il SO intercetta ogni richiesta di uso di una periferica e la
trasmette al BIOS
Ad esempio, quando si chiede di stampare un
documento dall’interno di un programma (es Word)
16 nov 2011
Il comando di stampa viene passato dal programma al
SO
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Dal Sistema Operativo esso passa poi al BIOS
Il BIOS, infine, si collega alla stampante, dopo aver
trasformato la richiesta di stampa in una serie di comandi
comprensibili alla stampante
Funzionalità di un SO
Per svolgere le sue funzioni, un SO deve essere
in grado di eseguire i seguenti compiti:
Interprete dei comandi
Gestore dei processi
Gestore della memoria centrale
Gestore delle periferiche di I/O
16 nov 2011
Gestore del File system
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Interprete comandi
E’ l’unica parte del sistema operativo
direttamente visibile all’utente
L’interprete comandi interpreta i comandi
inviati dall’utente (da tastiera o con il mouse) e
li esegue
16 nov 2011
attivando i programmi corrispondenti o
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effettuando le operazioni richieste
La Gestione dei Processi
I programmi in esecuzione vengono chiamati
processi
Programma = lista di istruzioni = nozione statica
Processo = programma in esecuzione =nozione
dinamica
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ATTENZIONE: in ogni istante di tempo una CPU
può eseguire un solo processo
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Il Sistema Operativo deve stabilire, in ogni dato
istante di tempo, quale processo può utilizzare la
CPU
Inoltre deve reagire agli eventi esterni (le
interruzioni provenienti dalle periferiche)
La Gestione dei Processi
Diverse tecniche di gestione dei processi:
Monoprogrammazione e monoutenza
Multiprogrammazione e monoutenza (o
Multitasking)
Multielaborazione e multiutenza
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Elaborazione parallela (con hardware apposito)
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La scelta dipende anche dal tipo di calcolatore
e dalle sue caratteristiche hw
Monoutenza e
Monoprogrammazione
Single User e Single Task
Modalità operativa dei personal computer fino a 15-20
anni fa (sistema MS-DOS):
permette l’accesso al computer ad un solo utente per
volta,
il quale può mandare in esecuzione un solo programma
alla volta.
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E' il modo più semplice per gestire un elaboratore
il S.O. gestisce in modo sequenziale i diversi programmi,
uno per volta
poca efficienza dell'hw a causa della diversa velocità tra
CPU e periferiche
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Monoutenza e
Multiprogrammazione
Single User e Multi Task (multiprogrammazione)
E’ la modalità operativa dei sistemi Windows ‘client’:
permette l’accesso al computer ad un solo utente per volta,
Il quale può mandare in esecuzione più programmi, che
utilizzano le stesse risorse del computer.
il S.O
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deve essere in grado di gestire l’uso contemporaneo delle
stesse risorse (ad esempio la RAM) da parte delle
applicazioni contemporaneamente attive, senza che si
creino “conflitti”.
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In particolare, poiché il processore è unico e quindi può
soddisfare una sola richiesta per volta, deve assegnare la
CPU al singolo processo, tenendo fermi tutti gli altri processi
“attivi”, che restano in attesa di poter utilizzare, a loro volta,
la CPU.
Monoutenza e
Multiprogrammazione
Un processo perde l’uso della CPU (Deallocazione) se:
E’ richiesta un’operazione di I/O da parte del processo in
esecuzione, che in termini di tempo è molto lenta.
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Termina il tempo a disposizione del processo. Ogni processo
accede alla CPU per un breve intervallo di tempo (ad
esempio 10 ms), terminato il quale la CPU viene staccata dal
processo e viene agganciata al processo successivo, e poi al
successivo, ecc., fino a tornare al primo e così via (tecnica del
time-sharing o condivisione di tempo)
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Multitasking
Pronto: il processo attende il proprio turno per essere
eseguito;
In Esecuzione: Il processo ha accesso alla CPU che ne
esegue le istruzioni;
In Attesa:
il processo attende il completamento di
un’operazione asincrona
Multithreading
Un programma può effettuare più operazioni
contemporaneamente sullo stesso documento.
Ad esempio può leggere dati immessi da tastiera,
stampare, visualizzare e contemporaneamente salvare il
documento.
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Ovviamente le operazioni non vengono fatte nello stesso
momento, ma è applicato il principio del multitasking (il
processore esegue le varie operazioni un po’ alla volta,
passando dall’una all’altra).
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Multiutenza e
Multiprogrammazione
Multi User e Multi Task
E’ la modalità operativa dei sistemi Windows ‘server’:
permette l’accesso al computer a più utenti per volta,
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Ognuno dei quali può mandare in esecuzione più
programmi, che utilizzano le stesse risorse del computer.
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Richiede l’impiego di notevoli risorse sia da parte del
sistema operativo sia dell’hardware, per questo
generalmente la si trova nei sistemi più sofisticati e su
macchine di una certa potenza.
Sicurezza e protezione - SO
multiutente
Un sistema operativo multiutente deve possedere
un meccanismo per identificare gli utenti
Il sistema più usato è quella di attribuire a ciascun
utente una login ed una password
Ad ogni utente può essere attribuito un costo per le
risorse da lui usate
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Si può restringere a certi utenti l’accesso al file system
e alle risorse
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L’utente può avere un proprio ambiente
personalizzato
Elaborazione Parallela
Più CPU o più elaboratori cooperano nell'esecuzione dei programmi
Problematiche molto complesse
Richiedono speciali architetture dei sistemi di elaborazione
Sono lo stato dell'arte della tecnologia corrente
La CPU può essere caratterizzata da diversi livelli di parallelismo:
parallelismo di parola (stringhe di n bit di lunghezza)
parallelismo spaziale (indica la quantità di dati che vengono elaborati
contemporaneamente)
parallelismo di istruzione :
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due istruzioni indipendenti e
che utilizzano diverse risorse,
possono essere eseguite
contemporaneamente
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La Gestione della memoria
centrale
Il gestore della memoria deve allocare la
memoria e partizionarla tra i processi che la
richiedono
16 nov 2011
Grazie al gestore della memoria gli strati
superiori hanno l’illusione che ogni processo
abbia una memoria dedicata
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La Gestione della memoria
centrale
Un servizio offerto dalla gestione della memoria
è la cosiddetta memoria virtuale o swapping
16 nov 2011
E’ possibile eseguire programmi più grandi della
memoria centrale caricando in memoria solo
alcuni parti (pagine) del programma
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Quando serve una pagina del programma
residente su disco avviene la sostituzione di una
pagina in memoria con quella desiderata
La Gestione delle Periferiche di
I/O
Una caratteristica comune a tutti i dispositivi è quella
di operare in modo asincrono rispetto al processore
Consideriamo una tastiera che produce dei dati di
input. Il processore non è in grado di prevedere e di
controllare il momento in cui un dato di input sarà a
disposizione
16 nov 2011
Allo stesso modo, il processore non può prevedere il
momento in cui un dispositivo in output avrà terminato
di produrre i dati in uscita
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Sono
pertanto
necessarie
delle
forme
sincronizzazione tra i dispositivi e il processore
di
La Gestione delle Periferiche di
I/O
Un dispositivo di input deve avvertire il processore
quando un dato di input è disponibile
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Un dispositivo di output deve avvertire il processore
quando ha terminato di produrre dati in uscita o
quando è pronto per ricevere dati dal processore
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I dispositivi di Input/Output inviano al processore un
segnale, detto interrupt, per richiedere l'attenzione
del processore stesso
La Gestione delle Periferiche di
I/O
16 nov 2011
Ad ogni ciclo di clock, l'unità di controllo, prima
di iniziare l'esecuzione della prossima istruzione
del programma in corso, verifica se è arrivato
un segnale di interrupt da parte di qualche
dispositivo
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Se non c'è alcun segnale di interrupt il
processore prosegue normalmente, altrimenti
sospende l'esecuzione del programma attivo
ed esegue le operazioni richieste dal dispositivo
Le Categorie dei Sistemi
Operativi
Sistema Operativo e Hardware
Tutti gli elaboratori sono dotati di Sistema Operativo.
Un Sistema Operativo è legato alla complessità
dell’hardware (un SO di un mainframe è diverso da quello di
un portatile)
Monoprogrammazione-Multiprogrammazione-Multiutenza
sono invece una caratteristica del sistema operativo.
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Caricando su un PC il sistema operativo DOS, avremo un
funzionamento di tipo “single user e single task”.
Se sullo stesso PC carichiamo Windows XP Professional, avremo
un funzionamento di tipo “Single User e Multi Task”.
Infine caricando il sistema operativo Windows XP Server,
avremo un funzionamento di tipo “Multi User e Multi Task”.
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Sistemi Operativi per Desktop
MS-DOS, della Microsoft, è stato il primo sistema operativo per
PC (in disuso)
Windows, della MS, è installato su circa 80-90% dei PC
Windows 95/98, sistemi operativi per PC, di vecchia generazione
Windows NT, sistema operativo per PC , di vecchia generazione e
utilizzato come server di rete
Windows 2000/XP, sistemi operativi per PC ancora molto diffusi
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Windows 8/Windows 10, i sistemi operativi di ultima generazione
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MacOS X, della Apple è installato su circa il 2% dei PC
Linux/Unix è installato sui restanti Computer.
Sistemi Operativi per Server
Server: Computer che gestisce reti di altri
computer.
Sistemi Operativi potenti, sicuri e affidabili.
Sono Multiuser, Multitasking, Multithreading
Esempi:
Windows Server
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IBM OS/2 (non più utilizzato)
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Unix
Sistemi Operativi Opensource
Linux e Unix sono Sistemi Operativi “aperti”.
Un SO aperto, detto anche “Opensource”, funziona
su macchine diverse.
Fa parte della categoria dei software Public
Domain, quindi esso è
16 nov 2011
completamente gratuito
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è modificabile da qualsiasi programmatore, essendo
distribuito assieme al codice sorgente
Presente in molte versioni, a volte non compatibili tra
di loro (dato che ognuno può “modificarlo”)
Sistemi Operativi Proprietari
Un SO “Proprietario” funziona su un solo tipo di computer.
Sviluppati da grandi case per mainframe e minicomputer
IBM sviluppò il SO OpenMVS
Digital sviluppò il VMS (poi diventato OpenVMS)
Spesso le case costruttrici sviluppavano anche il Software
Applicativo (detto anch’esso “proprietario”)
16 nov 2011
Svantaggi principali:
Dipendenza pressoché totale dal produttore anche per semplici
operazioni di “personalizzazione” che coinvolgono modifica del
codice
Costi elevatissimi
Difficoltà di “portabilità” del software e, spesso, anche dei dati.
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Altri Sistemi Operativi
Smartphone e Tablet
iOS 7.1
Android
Windows Phone 8
Blackberry 10
16 nov 2011
…
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Sistemi Operativi Embedded sono invece
incorporati in piccoli dispositivi e sono codificati
su un chip di memoria ROM, invece che su Hard
Disk.
Il Sistema Operativo
16 nov 2011
In un computer possono essere presenti più
sistemi operativi, utilizzabili singolarmente
poiché un loro uso contemporaneo creerebbe
un conflitto nella gestione delle risorse della
macchina.
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Per poter installare più sistemi operativi è
necessario suddividere l'hard disk in sezioni
separate (partizioni) e assegnare a ognuna un
sistema operativo che avrà il compito di gestire
il computer ogni volta che si lavora con essa.
Prestazioni di un Sistema
Throughput: quantità di lavoro effettivamente
svolto, espressa in qualche unità di misura
sensata (job al minuto, ecc.)
Overhead: i “costi di gestione”
163 nov 2011
Ottimizzare le prestazioni: ridurre l’overhead al
minimo per ottenere il massimo throughput
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Gestione del file system
Il file system
Dati e programmi sono memorizzati sul disco
fisso all’interno di “contenitori logici” detti files.
Un file è un contenitore di informazioni
identificato da un nome (filename) e
21 nov 2011
memorizzato in una delle memorie di massa
Tra i compiti più importanti del sistema
operativo vi è la gestione dei files (file system
management) che si occupa di gestire i
documenti presenti nelle memorie di massa
organizzandoli logicamente
permettendo di operare su di essi
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I nomi dei Files
In quasi tutti i sistemi operativi un filename è
costituito da due parti: il nome vero e proprio e
l’estensione, separata dal nome da un punto,
paragonabili al nome e al cognome di una
persona.
Il nome è scelto dall’utente.
21 nov 2011
L’estensione
rappresenta il tipo di dato che il file contiene
solitamente indica il programma con cui è stato creato il file
(“.doc” per i documenti Word, “.exe” o “.bat” per i file eseguibili,
“.jpg” o “gif” per le immagini, ecc.).
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21 nov 2011
I nomi dei Files
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In base all’estensione di un file, il Sistema
Operativo è in grado di aprire la corretta
applicazione semplicemente cliccando sul
nome del file.
Cartelle o Directory
Per rendere più agevole il ritrovamento dei files,
il disco è diviso in cartelle (chiamate directory)
Una directory è un contenitore logico che può
contenere a sua volta altre cartelle o semplici
files
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Una directory ha un nome che la
contraddistingue dalle altre directory
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Lo scopo principale delle directory è di
organizzare i file presenti nel dispositivo di
memorizzazione
File System Gerarchico
La maggior parte dei sistemi operativi adotta un file
system gerarchico: le cartelle sono strutturate ad
albero, la cui radice è detta directory principale o
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ROOT
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File System Gerarchico
21 nov
2011
Unità
Il file system può gestire file
memorizzati in più memorie di
massa (floppy disk, hard disk, CDRom, unità di rete, ecc.)
Ad ogni memoria di massa è
associata una lettera
identificativa e/o un nome
A: è il floppy disk
C: è l’hard disk
D: è il CD-Rom
F: è l’unità Flash
21 nov
2011
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Pathname (o percorso)
Ogni file si trova in una sola directory, la quale,
a sua volta, si può trovare in un’altra directory
(e così via)
21 nov 2011
All’interno della stessa directory non possono
esistere più file con lo stesso nome
(nome+estensione)
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Il percorso per arrivare dalla ROOT al file in
questione si chiama pathname
Pathname (o percorso)
La directory principale si chiama \ (o ROOT –
Radice)
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Nel percorso le directory sono separate dal
carattere \
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Programmi di gestione dei files
Esplora Risorse
21 nov 2011
Visualizza cartelle e files nelle varie unità secondo
una struttura ad albero.
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Programmi di gestione dei files
Motore di ricerca
21 nov 2011
Esistono versioni dei motori di ricerca che vengono
applicati alla gestione dei files interni al proprio sistema.
L’utente si muove come se navigasse in Internet
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Le Utilità di un Sistema
Operativo
La Formattazione di un Disco
Predisposizione del disco all’uso da parte di un
Sistema Operativo
21 nov 2011
Creazione di una tabella, (detta File Allocation
Table, FAT, oppure Master File Table, MFT) con le
informazioni principali sui files, sulla loro disposizione
su disco e sui settori vuoti
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La Deframmentazione di un Disco
Il
Sistema
Operativo
memorizza
un
file
scomponendolo in parti della stessa dimensione
(dette cluster), pari generalmente alla dimensione
del settore su disco
21 nov 2011
Quando il disco è vuoto i cluster di un file vengono
memorizzati in settori contigui
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Quando il disco comincia a riempirsi i vari cluster
di un file (soprattutto se esso è molto grande)
vengono memorizzati dove c’è posto, spesso in
settori molto distanti l’uno dall’altro.
La Deframmentazione di un Disco
Quando un file è frammentato, il sistema impiega
molto tempo ad “aprirlo” (cioè a copiarlo in RAM per
permettere l’utilizzo)
21 nov 2011
la testina di lettura deve spostarsi molte volte sul disco
per “raccogliere” e serializzare le varie parti di un file
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La Deframmentazione di un Disco
Deframmentazione: spostamento dei cluster di
un file finchè tutti i frammenti sono su zone
contigue del disco
es. Dati i file A (4 cluster), B (3 cl.) e C (6 cl.)
… C3 C4 A1 A2 B3 A4 C6 C1 B1 A3 B2 C5 C2 …
21 nov 2011
… A1 A2 A3 A4 B1 B2 B3 C1 C2 C3 C4 C5 C6 …
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Lo Scanning di un Disco
Durante l’uso possono danneggiarsi parti di un
supporto e diventare quindi inutilizzabili,
rendendo di fatto inutilizzabile tutto il file che
comprende queste parti.
21 nov 2011
Per limitare i danni è possibile effettuare, a
livello preventivo, una scansione del disco, in
modo da accantonare i settori guasti, ma non
ancora “allocati” ad alcun file.
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Scanning: programma che individua difetti o
danneggiamenti della superficie del disco,
problemi di allocazione dei files o problemi nella
Tabella di allocazione
