Il Sistema Operativo - Dipartimento di Informatica

Il Sistema Operativo
Il Sistema Operativo fa parte del software di base; e`
costituito da un insieme di programmi che
interagiscono e cooperano per:
 gestire
efficientemente l'elaboratore e le sue
periferiche, cercando di sfruttare al massimo tutte le
componenti hardware
 creare
un ambiente amichevole per l'interazione
uomo-macchina
Il Sistema Operativo
Funzioni del Sistema Operativo:
dell’elaboratore
 Gestione del processore e dei programmi in esecuzione
 Gestione della memoria principale
 Gestione della memoria secondaria
 Gestione dei dispositivi di input/output
 Gestione dei file
 Interazione con l’utente
 Avvio
Il Sistema Operativo

Tipologie di SO:
 sistemi
mono-utente - sistemi multi-utente
i sistemi mono- utente sono destinati ad elaboratori per usi personale (tipo
PC) mentre i sistemi multi-utente sono destinati ad elaboratori utilizzati da piu`
utenti contemporaneamente
 sistemi
mono-programmati - sistemi multi-programmati
i sistemi mono- programmati gestiscono l’ esecuzione di un solo programma
alla volta, mentre i sistemi multi-programmati gestiscono piu` programmi
contemporaneamente
 sistemi
interattivi - sistemi batch
classificazione basata sull’ interazione con l’utente
Il Sistema Operativo

Sistemi mono-utente interattivi pensati per Personal
Computer
 IBM
PC - Compatibili (DOS - Windows)
 Macintosh

L’ interazione utente/computer puo` essere:
 testuale

es. MS-DOS per PC-IBM
 grafica
es. Macintosh
 es. Windows per PC-IBM

Il Sistema Operativo: Esempio
Immettiamo il comando date
Il Sistema Operativo: Esempio
Premendo il tasto “Enter” si ottiene



Le operazioni effettuate sembrano abbastanza
semplici ma provocano una serie di eventi in cui
vengono coinvolte sia risorse hardware che risorse
software
Il coordinamento e la gestione delle varie risorse
viene effettuato dal Sistema Operativo
Il Sistema Operativo fornisce i servizi che sono
necessari a tutti gli altri programmi in esecuzione
Esempio
dat
BUFFER
listener
directory manager
file manager
terminal driver
disk driver
Monitor
dat
BUFFER
Tastiera
Disco rigido
148.608.043.200.010
OROLOGIO
Per ogni carattere immesso tramite la tastiera viene
generato un codice corrispondente
Il codice, grazie ad una componente hardware,
viene memorizzato in un’area di memoria riservata
(buffer) e viene inviato un segnale alla CPU
(interrupt)
Quando la CPU riceve l`interrupt dalla tastiera attiva
un modulo (un piccolo programma) chiamato
terminal driver
Il terminal driver invia allo schermo una copia del
codice del carattere immesso per visualizzare il
carattere
Il codice corrispondente al carattere “Enter” indica
che il comando immesso (date) è completo
Il terminal driver attiva un altro modulo chiamato
listener (perchè attende le richieste provenienti
dagli utenti)
Il listener legge i caratteri dal buffer della tastiera e
ricerca un programma chiamato date, lo carica in
memoria centrale e lo esegue
Il programma date “va a leggere” un “orologio” (un
contatore che tiene conto dello scorrere del tempo)
e passa l’informazione letta al terminal driver
Il terminal driver trasmette la data al monitor che la
visualizza
Organizzazione del SO



La gestione dei vari eventi da parte di un S.O. è una
delle aree di vitale importanza dell’informatica
L’idea di base è quella di creare una gerarchia di
livelli di astrazione (struttura a cipolla)
In questo modo, ad ogni livello le funzionalità
presenti possono ignorare i dettagli sulle funzionalità
offerte da altri livelli
kernel
gestione memoria
processore, risorse
interfaccia comandi
Organizzazione del SO



Al livello più alto della gerarchia di funzionalità si
trova l’utente del sistema
Idealmente l’utente è ignaro di tutti i dettagli delle
operazioni svolte dai livelli inferiori della gerarchia
L’utente ha conoscenza solo delle operazioni che è
interessato ad effettuare
 Nell’esempio
della data l’utente è interessato alla data
e conosce solo il comando che serve per ottenere
tale informazione
Avvio dell’elaboratore



Il sistema operativo viene mandato in esecuzione
all’accensione del calcolatore (fase di bootstrap)
In questa fase una parte del sistema operativo viene caricata
in RAM,in genere questa parte comprende:

programmi per la gestione del processore

programmi per la gestione della RAM

programmi per la gestione dell’I/O

programmi per la gestione dei file

programmi per l’interfaccia con l’utente
Spesso in questa fase si eseguono anche programmi per la ricerca
di virus
Avvio dell’elaboratore

Una parte del Sistema Operativo deve essere sempre mantenuta
in RAM e deve sempre essere pronta per l’esecuzione
0
1
Sistema Operativo
Spazio utente
n
Gestione del processore e dei processi



Il processore è la componente più importante di un
sistema di elaborazione e pertanto la sua corretta
ed efficiente gestione è uno dei compiti principali di
un sistema operativo
Il ruolo del processore è quello di eseguire
programmi
Chiamiamo processo un programma in
esecuzione
Gestione del processore e dei processi

Quando si clicca sull’icona di un programma, il
Sistema Operativo:
 cerca
il programma corrispondente in memoria
secondaria
 copia
il programma in RAM
il Program Counter con l’indirizzo della prima
istruzione del programma principale
 imposta
Gestione del processore e dei processi
Sistemi mono-utente, mono-programmati

Un solo utente puo’ eseguire un solo programma alla volta

Il programma viene “lanciato” , eseguito e terminato

La CPU non e’ utilizzata al meglio! Si spreca molto tempo


La CPU e’ molto piu’ veloce delle periferiche (dispositi di I/O
e disco) quindi passa molto del suo tempo in attesa del
completamento delle operazioni da parte di questi
dispositivi
Durante queste fasi di attesa si dice che la CPU e’ idle
Gestione del processore e dei processi
Esempio 1.

Un processo e’ costituito da 1000 istruzioni, la CPU ha
frequenza di 1MHz, quindi il processo richiede:
103/106 sec = 1msec

A meta’ esecuzione e’ richiesta la lettura di un dato dal disco.
Il tempo di lettura e’ pari a 1msec. :
tempo totale di esecuzione del processo = 2 msec.

Idle time = 1 msec.:
Il 50% del tempo totale di esecuzione e’ tempo sprecato
Gestione del processore e dei processi
Esempio 2.

Un processo e’ costituito da 1000 istruzioni, la CPU ha
frequenza di 1MHz, quindi il processo richiede:
103/106 sec = 1msec

A meta’ esecuzione e’ richiesta la lettura di un dato da
tastiera. Il tempo di lettura e’ pari a 1sec. :
tempo totale di esecuzione del processo = 1001 msec.

Idle time = 1 sec.:
Il 99,9 % del tempo totale di esecuzione e’ tempo sprecato!!!
Gestione del processore e dei processi
Sistemi multiprogrammati

Quando un processo si ferma in attesa di operazioni di I/O, la CPU passa
ad eseguire un altro proceso

Il SO si occupa dell’alternanza tra i vari processi

Piu’ programmi sembrano cosi’ essere eseguiti contemporaneamente


In realta’ in ogni istante c’e’ sempre un solo processo in esecuzione,
ma se l’alternanza e’ molto frequente si ha un’impressione di
simultaneita’
Il numero di processi “contemporaneamente” in esecuzione e’
comunque limitato ed e’ detto ”grado di multiprogrammazione”
Gestione del processore e dei processi

Un processo può trovarsi in tre diversi stati:
 in
esecuzione, quando sta utilizzando il
processore;
 in attesa (bloccato), quando è in attesa del
verificarsi di un evento esterno (terminazione di
un’operazione di input/output o altro)
 pronto,
quando è potenzialmente in condizione
di poter utilizzare il processore che è occupato da
un altro processo
Gestione del processore e dei processi
terminazione
in_esecuzione
scambio
esecuzione
richiesta I/O o risorsa
pronto
creazione
in_attesa
I/O terminato o
risorsa disponibile
Gestione del processore e dei processi
Cosa succede se….

Un processo non si ferma mai in attesa di I/O?

Piu’ utenti vogliono usare il computer?

E’ necessario che il tempo della CPU sia distribuito tra i
processi in attesa: si parla di politica di scheduling della
CPU. Se un processo in stato di esecuzione puo’ essere
interrotto e ritornare nello stato di pronto, la politica si dice di
tipo preemptive (prerilasciabile)
Gestione del processore e dei processi
terminazione
in_esecuzione
scambio
esecuzione
richiesta I/O o risorsa
pronto
creazione
Coda ready
in_attesa
I/O terminato o
risorsa disponibile
Gestione del processore e dei processi

Per gestire l’insieme dei processi attivi il SO mantiene in un’area di
memoria riservata, la tabella dei processi, in cui per ogni processo
memorizza molte informazioni:

Identificatore del processo

Identificatore dell’utente

Stato del processo

Contenuto del Program Counter e altri registri

Informazioni file aperti

….
Gestione del processore e dei processi




Le informazioni della tabella dei Processi servono a
realizzare lo scambio di contesto (context switching)
Quando un processo rilascia la CPU, le informazioni del
suo stato vengono copiate nel suo descrittore all’interno
della tabella dei processi
Quando il processo torna in esecuzione questi valori
vengono ricopiati negli opportuni registri
In questo modo quando riprende l’esecuzione, il processo
riparte dal punto in cui era stato interrotto
Obiettivi del gestore dei processi




massimizzare l’ utilizzazione del processsore
massimizzare il numero dei programmi eseguiti nell’
unita` di teempo (throughput)
minimizzare il tempo d`esecuzione dei processi
(turnaround)
minimizzare il tempo d`attesa dei processi