UNIVAC
Il primo calcolatore concepito ed impostato come prodotto commerciale, fu realizzato da Eckert e Mauchly
(gli stessi costruttori dell’ENIAC) per l’Ufficio Centrale di Statistica degli Stati Uniti.
Sommario
L’algebra di Boole
Fu teorizzata dal matematico inglese George Boole (18101864) nel lavoro “Analisi Matematica della
Logica”, pubblicato nel 1847. Include un insieme di operazioni su variabili logiche (o variabili booleane),
che possono assumere i due soli valori true e false, indicati da 1 e 0. Le tecniche sviluppate nell’algebra
booleana possono essere applicate all’analisi ed alla progettazione dei circuiti elettronici, poiché essi sono
realizzati con dispositivi che possono assumere solo due stati.
Il sistema operativo
Su insiemi di costanti e variabili logiche possono essere definite funzioni che hanno esse stesse la
caratteristica di assumere due soli valori. La definizione di una funzione booleana può essere effettuata per
mezzo di una tabella di verità, che indica il valore della funzione in corrispondenza di ogni possibile
configurazione dei valori degli argomenti. Le funzioni booleane possono essere scritte e manipolate anche
con metodi algebrici, dato un insieme di funzioni (o operazioni) elementari tramite le quali poter esprimere
ogni altra funzione.
Introduzione
Scopo del sistema operativo
Funzioni del sistema operativo
Gestione dei processi
Gestione della memoria centrale
Gestione delle periferiche
Gestione dei file
1
Introduzione
2
Introduzione
Il software può essere diviso in due grandi classi:
i programmi di sistema, che gestiscono le funzionalità del
sistema di calcolo
i programmi applicativi, che risolvono i problemi degli utenti
L’insieme dei programmi di sistema viene comunemente
identificato con il nome di Sistema Operativo (SO)
Definizione
Un sistema operativo è un programma che controlla
l’esecuzione dei programmi applicativi ed agisce come
interfaccia fra le applicazioni e l’hardware del calcolatore
3
Scopo del sistema operativo
Gestione EFFICIENTE delle risorse del sistema di elaborazione
Creazione di un’interfaccia AGEVOLE tra l’uomo e la macchina
4
Esempio:
Il SO come gestore risorse – 1
Si consideri un ristorante con un capo–cuoco (che dirige la
cucina) ed i suoi aiutanti, camerieri e clienti:
I clienti scelgono un piatto dal menù
Un cameriere prende l’ordine e lo consegna al capo–cuoco
Il capo–cuoco riceve l’ordine e assegna uno o più aiutanti alla
preparazione del piatto
Ogni aiutante si dedicherà alla preparazione di un piatto, il che
potrà richiedere più attività diverse
Il capo–cuoco supervisiona la preparazione dei piatti e gestisce
le risorse (limitate) disponibili
5
Esempio:
Il SO come gestore risorse – 2
Il capo–cuoco è il sistema operativo!
I clienti sono gli utenti
Le ricette associate ai piatti sono i programmi
Il menù ed il cameriere costituiscono l’interfaccia verso il
sistema operativo (grafica e non)
Gli aiutanti sono i processi
La cucina è il computer; pentole, fornelli, etc. sono le
componenti hardware
6
Esempio:
Il SO come gestore risorse – 3
Problemi del capo–cuoco:
Esecuzione fedele delle ricette
Allocazione efficiente delle risorse esistenti (aiutanti, fornelli,
ingredienti, etc.)
Coordinamento efficiente degli aiutanti
Licenziamento degli aiutanti che non si comportano secondo le
regole
Problemi del sistema operativo:
Efficienza nell’uso delle risorse (processori, memoria, dischi,
etc.)
Protezione nell’uso delle risorse
Coordinamento dei processi
7
Il SO come macchina estesa – 1
Visione a strati delle componenti hardware/software che
compongo un elaboratore
8
Il SO come macchina estesa – 2
Il SO può essere inteso come uno strumento che virtualizza
le caratteristiche dell’hardware, offrendo all’utente la visione
di una macchina astratta più potente e più semplice da
utilizzare di quella fisicamente disponibile
In questa visione, un SO…
…nasconde a programmatori/utenti i dettagli dell’hardware e
fornisce un’interfaccia conveniente e facile da usare
…agisce come intermediario tra programmatore/utente e
hardware
Parole chiave
Indipendenza dall’hardware
Comodità d’uso
Programmabilità
9
Funzioni del
sistema operativo
10
Le operazioni AND e OR sono operazioni binarie, l’operazione NOT è unaria. Nella valutazione delle
espressioni booleane esiste una relazione di precedenza fra gli operatori NOT, AND e OR, nell’ordine in cui
sono stati elencati; le parentesi vengono utilizzate nel modo consueto.
Il sistema operativo ̶ 1
Il sistema operativo è uno strato
software che opera direttamente
sull’hardware...
...isola gli utenti dall’architettura
sottostante e fornisce un insieme di
funzionalità di alto livello
...permette
lo
svolgimento
di
operazioni quali la copia di un file o
l’esecuzione di un programma; opera
le azioni necessarie a caricare i
programmi in memoria centrale,
eseguirli, leggere e/o scrivere dati
da/su memoria di massa e periferiche
Il SO rende totalmente disponibile all’utente l’hardware del
calcolatore
11
Il sistema operativo ̶ 2
Il SO può essere...
...monoutente (tipicamente nei PC), se l’intero sistema hw/sw
è dedicato ad un singolo utente
...multiutente, quando diversi utenti condividono lo stesso
sistema hw/sw; il SO nasconde a ciascun utente la presenza
degli altri, dando l’impressione che il sistema (unità di
elaborazione, memoria, periferiche, etc.) gli sia interamente
dedicato
Il SO è un insieme di programmi molto complesso ed
articolato, soprattutto in contesto multiutente
Per facilitarne il progetto, ed isolarne le varie componenti, il
SO è organizzato per strati funzionali, con una struttura
cosiddetta “a cipolla”
12
Il sistema operativo ̶ 3
at io soft wa
plic
Ciascuno strato funzionale realizza
re
p
A
una macchina virtuale, che maschera
ms softwa
st e
le caratteristiche della macchina
hardware e offre all’utente un
Hardware
insieme di funzionalità
Struttura modulare: ciascun modulo
esporta funzionalità verso l’esterno e
mantiene al suo interno i propri
meccanismi implementativi
Ogni macchina virtuale “sembra” più potente della
corrispondente macchina fisica, perché offre ai suoi utenti
l’illusione di una macchina dedicata
re
Sy
ns
...tuttavia, la macchina fisica è effettivamente condivisa fra gli
utenti
13
Funzioni del sistema operativo
Programmi utente
Architettura a “cipolla”
del sistema operativo;
ciascuno strato
corrisponde ad una
macchina virtuale
Interprete dei comandi
Attivazione programmi utente o di sistema
File system
Controllo e gestione degli accessi a file
Gestione delle periferiche
Gestione di ingresso/uscita da periferica
Gestione della memoria
Allocazione e gestione della memoria
Gestione dei processi
Gestione dei processi e degli interrupt
Macchina fisica
14
L’elemento x’ = NOT(x) viene detto complemento di x. Il complemento è unico.
Gestore dei processi
È responsabile dell’esecuzione dei programmi da parte
dell’unità di elaborazione
In caso di SO multiutente, deve garantire l’esecuzione
concorrente di processi multipli, decidendo a quale di essi
assegnare l’accesso e l’uso dell’unità di elaborazione
Gestisce gli interrupt provenienti dalle periferiche
Lo strato del gestore dei processi offre agli strati superiori
una macchina virtuale in cui ciascun programma opera come
se avesse a disposizione un’unità di elaborazione dedicata
15
0 è l’elemento neutro per l’operazione di OR; 1 è l’elemento neutro per l’AND. Gli elementi neutri sono unici.
La legge x + x = x·x = x è detta legge dell’idempotenza.
Gestore della memoria
Alloca la memoria e la ripartisce fra i vari programmi che la
richiedono
Nei SO multiutente, è opportuno che molti programmi siano
contemporaneamente presenti in memoria centrale, per
ottenere un’esecuzione “simultanea”
Lo strato del gestore di memoria offre agli strati superiori una
macchina virtuale in cui ciascun programma opera come se
avesse a disposizione una memoria dedicata
16
Driver di dispositivo
Sono responsabili delle operazioni di ingresso/uscita che
coinvolgono le periferiche
Ciascun driver è un modulo software dedicato a “guidare”
una periferica specifica: ne conosce (e ne occulta) le
caratteristiche hardware
Lo strato del gestore delle periferiche offre all’utente una
versione astratta delle periferiche hardware; l’utente ha a
disposizione un insieme di procedure standard di alto livello
per leggere/scrivere da/su periferiche, che “percepisce” come
dedicate
17
File system
È responsabile della gestione dei file in memoria di massa;
struttura i dati in file e li organizza in directory (cartelle nel
linguaggio di MS Windows)
Fornisce all’utente un insieme di funzioni di alto livello per
operare su file e directory, mascherando le operazioni
realmente effettuate per allocare la memoria e per accedervi
in lettura/scrittura
Tramite il file system, ciascun utente può organizzarsi la
propria area di memoria e garantirne la protezione da
accessi esterni
Consente la condivisione dei file
18
Interprete dei comandi
Consente all’utente di attivare i programmi
Accede al programma, residente su memoria di massa, tramite
il file system
Alloca memoria e vi carica il programma (tramite il gestore della
memoria)
Attiva il processo (sfruttando le funzionalità del nucleo)
Sfrutta l’organizzazione a strati del SO e può richiedere
l’esecuzione di qualsiasi funzione implementata negli strati
sottostanti
19
Ancora sul sistema operativo...
I primi tre strati del SO, dedicati alla gestione dei processi,
della memoria e delle periferiche, ne costituiscono il nucleo,
o kernel
L’obiettivo del SO consiste nell’ottimizzare le prestazioni del
sistema informatico, determinando le politiche migliori di
gestione delle risorse sotto il suo controllo
Nei sistemi multiutente, ciascun utente risente della
presenza degli altri in misura crescente con il carico
complessivo del sistema, ovvero, al crescere del numero
delle richieste di elaborazione, il sistema può diventare
sovraccarico e fornire prestazioni percepibilmente scadenti
20
La gestione dei processi
21
La gestione dei processi 1
Processo — un programma in esecuzione
Il processo è un oggetto dinamico, che evolve nel tempo, in
contrapposizione al programma, un oggetto statico ed
invariante nel tempo
L’unità di elaborazione che esegue i processi prende il nome
di processore
La corrispondenza tra programma e processo non è
necessariamente biunivoca: uno stesso programma
eseguibile può essere associato a più processi, ciascuno dei
quali svolge uno dei compiti richiesti dal programma
22
La gestione dei processi – 2
Il gestore dei processi è il modulo che si occupa del controllo,
della sincronizzazione, dell’interruzione e della riattivazione
dei programmi in esecuzione
La gestione dei processi viene compiuta secondo modalità
diverse, in funzione del tipo di utilizzo cui il sistema è rivolto
Il programma che si occupa della distribuzione del tempo di
CPU tra i vari processi attivi, decidendone l’avvicendamento, è
chiamato scheduler
Nel caso di sistemi multiprocessore, lo scheduler si occupa
anche di gestire la cooperazione tra le diverse CPU presenti
nel sistema
23
Stato dei processi 1
Mentre viene eseguito, un processo cambia stato:
New: Il processo viene creato
Running: Il processo viene eseguito
Waiting: Il processo è in attesa di un evento
Ready: Il processo è in attesa di essere assegnato al processore
Terminated: Il processo ha terminato la propria esecuzione
24
Stato dei processi 2
Nell’ipotesi di un unico processore, uno solo dei processi può
essere in esecuzione ad un certo istante, cioè in stato di
running
Gli altri processi sono pronti (ready) o in attesa (waiting)
I processi pronti possono venir eseguiti immediatamente: sarà
lo scheduler della CPU, in base alla sua politica di gestione dei
processi, a decidere quale dei processi pronti sarà il prossimo
ad accedere alla CPU
I processi in attesa attendono, invece, il verificarsi di un evento
esterno (per esempio l’immissione di dati tramite un dispositivo
di I/O) per passare in stato di pronto
25
Interruzioni interne 1
Nel corso della sua evoluzione, il processo in esecuzione può
richiedere lo svolgimento di un’operazione di ingresso/uscita
che coinvolge una periferica
L’esecuzione del processo si interrompe ed il kernel del SO
diviene attivo (si esegue un processo di sistema)
La sospensione del processo in esecuzione si dice interruzione
interna: il processo passa dallo stato ready allo stato waiting
L’esigenza di sospendere il processo all’atto di una richiesta di
un servizio di I/O risponde ad una logica di buona
amministrazione delle risorse
26
Interruzioni interne 2
Infatti, vi è una notevole differenza fra i tempi di esecuzione
delle istruzioni in memoria centrale (dell’ordine delle decine
di nanosecondi) ed i tempi di esecuzione delle istruzioni di
I/O (qualche millisecondo per accesso alla memoria di
massa, qualche secondo per comandi da terminale)
La sospensione deve avvenire in modo tale che il processo
possa riprendere la propria attività, dopo l’interruzione,
esattamente dallo stesso punto e con gli stessi dati
Occorre salvare il contesto, cioè copiare il contenuto dei registri
del processore in una zona particolare di memoria, il descrittore
del processo
Prima di riprendere l’esecuzione del processo interrotto, occorre
eseguire l’operazione inversa, cioè ricopiare il contenuto del
descrittore nei registri del processore, per ripristinare il
contesto
27
Interruzioni interne 3
Dopo il salvataggio del contesto del processo interrotto, lo
scheduler della CPU seleziona uno dei processi pronti e gli
alloca il processore
Molti processi possono essere nello stato di pronto allo stesso
tempo
Il contesto del processo selezionato, in base alla politica di
scheduling, viene ripristinato, e la sua esecuzione può
proseguire dall’istruzione successiva a quella che ne aveva
provocato l’interruzione (quella puntata dal registro program
counter )
L’operazione complessiva di interruzione di un processo,
salvataggio del contesto, scelta di un nuovo processo dalla
ready queue (coda dei processi pronti), e ripristino del suo
contesto, prende il nome di cambiamento di contesto o
context switch
28
Interruzioni esterne 1
Le interruzioni esterne sono eventi asincroni, cioè non
regolati dal clock del processore: le operazioni
dell’elaboratore si coordinano con il mondo esterno
attraverso le periferiche
Quando si verifica un’interruzione esterna, il kernel...
...salva il contesto del processo attivo, che passa dallo stato di
esecuzione allo stato di pronto
...richiama un proprio modulo, il gestore delle interruzioni, che
esegue le operazioni necessarie per far fronte alla particolare
interruzione
29
Interruzioni esterne 2
Esempio: Se l’interruzione segnala la presenza di dati in
ingresso da tastiera, a fronte di un’operazione di lettura
richiesta dal processo P1, il gestore delle interruzioni...
...trasferisce i dati dal registro della periferica in memoria
centrale
...provvede a modificare lo stato del processo P1, da waiting a
ready
Inoltre, al termine della gestione dell’interruzione, lo scheduler
seleziona uno dei processi pronti (non necessariamente quello
sospeso dall’interruzione appena servita) e lo manda in
esecuzione
30
Il ciclo di vita dei processi 1
Ogni nuovo processo entra nel
sistema accedendo alla ready
queue (new ready), e va in
esecuzione (ready running)
quando viene selezionato dallo
scheduler
Un processo attivo può essere
arrestato per un interrupt esterno
(running ready)
Un processo può anche essere sospeso preempted dal nucleo
(running ready), dopo un dato intervallo temporale, per
garantire a tutti i processi un uso paritario della CPU: lo scheduler
sceglie quale fra i processi pronti mandare in esecuzione
31
Il ciclo di vita dei processi 2
Anche un’interruzione interna
può causare l’arresto di un
processo (running waiting)
Viceversa, il verificarsi dell’evento
atteso da un processo fa sì che
esso passi dallo stato di attesa
allo stato di pronto (waiting
ready)
Infine, un processo in esecuzione può terminare regolarmente, o
essere interrotto e terminato forzatamente dal nucleo (aborted ) per
il verificarsi di un errore
Ugualmente, lo scheduler seleziona un nuovo processo dalla ready
queue
32
Scheduling della CPU 1
Oltre ad arrestarsi a causa delle interruzioni, il processo
attivo può venire arrestato d’autorità dallo scheduler, che ha
come obiettivo quello di far eseguire ciascun processo utente
entro un tempo approssimativamente proporzionale alla sua
complessità, effettuando una ripartizione equa della risorsa
CPU
Criteri di scheduling:
{
max
{
min
Utilizzo di CPU — la CPU deve essere più attiva possibile
Throughput — numero di processi completati nell’unità di
tempo
Tempo di turnaround — tempo di esecuzione di un processo
Tempo di attesa — tempo di attesa del processo nella ready
queue
Tempo di risposta — tempo che intercorre tra la sottomissione
di una richiesta e la prima risposta prodotta
33
Scheduling della CPU 2
Le politiche di scheduling sono raggruppabili in due grandi
categorie:
Preemptive: l’uso della CPU da parte di un processo può essere
interrotto in un qualsiasi momento, e la risorsa concessa ad
altro processo
Non preemptive: una volta che un processo ha ottenuto l’uso
della CPU, è unico proprietario della risorsa finché non ne
decide il rilascio
34
Scheduling della CPU 3
Roundrobin : la politica di scheduling più semplice, che
consiste nel garantire la rotazione nell’esecuzione dei
processi
Lo scheduler assegna la CPU ad un processo per un quanto di
tempo
Quando il quanto di tempo termina, il processo in esecuzione
viene interrotto e ritorna nella ready queue
Per realizzare l’alternanza fra processi, lo scheduler gestisce
la ready queue in modo tale da assegnare il processore al
primo processo in coda che, quando esaurisce il suo quanto,
viene posto alla fine della coda
Alla fine della coda si inseriscono anche i processi che
passano dallo stato di attesa allo stato di pronto
35
Scheduling della CPU 3
Esempio: Scheduling Roundrobin, con quanto di tempo 20
P1
0
P2
20
Processo
Tempo di CPU
P1
53
P2
17
P3
68
P4
24
P3
37
P2
P4
57
P1
77
P3
97 117
P4
P1
P3
P3
121 134 154 162
P4
P1
P3
36
Scheduling della CPU 4
Il quanto di tempo assegnato a ciascun processo...
...deve essere molto maggiore del tempo di context switch
...deve essere significativamente inferiore al tempo medio di
esecuzione dei programmi, altrimenti l’effetto della politica di
rotazione si annulla
Un quanto di tempo minore incrementa il numero di context switch
37
Scheduling della CPU 5
Utilizzando la politica Roundrobin, il tempo di esecuzione di
ciascun
programma
diviene
approssimativamente
proporzionale alla “complessità in tempo” del programma
stesso ed al numero di operazioni di ingresso/uscita
Inoltre, frazionare l’esecuzione dei processi ha l’effetto di
favorire il completamento rapido dei più brevi, con
conseguente massimizzazione del numero di processi
terminati nell’unità di tempo: aumento del throughput del
sistema
38
Scheduling della CPU 6
Possono essere utilizzate politiche di scheduling più
complesse: per esempio, se i processi hanno differenti
priorità, è possibile associare a ciascun livello di priorità una
diversa coda di processi pronti, per prelevare il primo
processo dalla coda (non vuota) a priorità più alta
39
Scheduling della CPU 7
Esempio: In un sistema che comporta problemi di sicurezza,
alcuni eventi (come la segnalazione di guasti ai motori di un
aereo) sono molto più importanti di altri (come la
segnalazione di difetti al sistema di intrattenimento)
Nella maggior parte delle applicazioni di elaborazione dati
viene attribuita una priorità bassa ai cosiddetti processi
batch, che non necessitano interazione con l’utente
Problema: Starvation (blocco indefinito), i processi a bassa
priorità potrebbero non venir mai eseguiti
Soluzione: Aging (invecchiamento), aumento graduale della
priorità dei processi che si trovano in attesa nel sistema da
lungo tempo
40
Sincronizzazione dei processi 1
I processi devono sincronizzarsi, devono cioè coordinare le
loro attività
La modalità più semplice di coordinamento consiste
nell’esecuzione sequenziale : un processo termina invocando
l’attivazione di un nuovo processo
Tempo di utilizzo della CPU
Tempo di attesa di eventi
esterni
C
B
A
t
T
41
Sincronizzazione dei processi 2
Tecniche di sincronizzazione più complesse nascono
dall’esigenza dei processi di competere per alcune risorse, o
di cooperare fra loro
Esempio: Un processo che richiede un servizio di I/O può
essere interrotto e la CPU passata a un altro programma
Tempo di utilizzo della CPU
C
Tempo di attesa di eventi
esterni
B
A
t
Tmulti-tasking Tmono-tasking
42
Sincronizzazione dei processi 3
Un esempio di competizione si verifica quando due processi vogliono
accedere simultaneamente ad una risorsa, detta risorsa critica, sulla
quale può operare un solo processo alla volta; nel caso di richieste
contemporanee, uno solo dei processi richiedenti accede alla risorsa
critica, mentre l’altro deve attendere il rilascio della risorsa per
potervi accedere a sua volta
Un esempio di coordinazione si ha quando due processi sono tali per
cui ciascuno di essi ha bisogno dell’altro per poter evolvere; nel
classico problema del produttore/consumatore, il primo processo
produce dati (per esempio, acquisendoli da una periferica) mentre il
secondo li utilizza (per esempio, svolgendo su di essi delle
elaborazioni)
43
Sincronizzazione dei processi 4
La sincronizzazione dei processi, necessaria sia nel caso di
competizione sia nel caso di cooperazione, avviene tramite
due meccanismi fondamentali...
...l’uso di variabili condivise (dette semafori), per l’accesso a
parti critiche di codice
...e la comunicazione esplicita fra processi (mediante scambio
di messaggi)
Esempio:
L’accesso concorrente a dati condivisi può causare incoerenza
nei dati
Per garantire la coerenza dei dati occorrono meccanismi che
assicurano l’esecuzione ordinata dei processi cooperanti
44
Sincronizzazione dei processi 5
Problema della sezione critica:
n processi competono per utilizzare dati condivisi; ciascun
processo è costituito da un segmento di codice, detto sezione
critica, in cui accede ai dati e li modifica
Ipotesi:
Assicurarsi che, quando un processo esegue la sua sezione critica,
a nessun altro processo sia concesso eseguire la propria
L’esecuzione di sezioni critiche da parte di processi cooperanti è
mutuamente esclusiva nel tempo
Soluzione: progettare un protocollo di cooperazione fra processi
Ogni processo deve chiedere il permesso di accesso alla sezione
critica, tramite una entry section (il semaforo diviene “rosso” ad
opera del processo che trova il “verde” e si accinge ad accedere ai
dati)
La sezione critica è seguita da una exit section (il semaforo “rosso”
diviene “verde” ad opera del processo che ha terminato di utilizzare
i dati condivisi); il rimanente codice è non critico
45
La gestione della memoria
46
Gestione della memoria centrale – 1
La memoria centrale…
…è un “array” di byte indirizzabili singolarmente
…è un deposito di dati facilmente accessibile e condiviso tra la
CPU ed i dispositivi di I/O
Il SO è responsabile delle seguenti attività riguardanti la
gestione della memoria principale:
Tenere traccia di quali parti della memoria sono usate e da chi
Decidere quali processi caricare quando diventa disponibile
spazio in memoria
Allocare e deallocare lo spazio di memoria quando necessario
47
Gestione della memoria centrale 2
Premessa indispensabile per la gestione concorrente di molti
processi è infatti la presenza di molti programmi in memoria
centrale
La memoria centrale assume un ruolo simile all’unità di
elaborazione: è una risorsa unica, talvolta scarsa, da
suddividere fra i vari processi
Per allocare i programmi in memoria centrale è necessario
rilocarli:
Rilocare significa trasformare gli indirizzi logici, presenti nei
programmi, in indirizzi fisici, corrispondenti alle locazioni di
memoria dove il codice eseguibile viene effettivamente caricato
D’altra parte, l’uso di indirizzi logici nei programmi è essenziale
per consentirne il caricamento in differenti porzioni di memoria
Problema: come allocare lo spazio in maniera ottimale
48
1° soluzione: Allocazione lineare
Memoria
0000x
Programma A
Programma B
Programma C
49
1° soluzione: Allocazione lineare
Memoria
0000x
Programma A
Programma D
Programma E
Programma C
50
1° soluzione: Allocazione lineare
Memoria
0000x
Programma A
PROBLEMA
!!!!
Programma D
Programma F
Programma E
FRAMMENTAZIONE
Programma C
51
Gestione della memoria centrale 3
Un importante meccanismo di “suddivisione” della memoria
centrale, e delle entità in essa memorizzate, è quello della
paginazione:
La memoria centrale è considerata
dal gestore della memoria come
partizionata in pagine, ciascuna
delle quali è un’aria di memoria
contigua, di dimensione fissata
Anche i programmi vengono
partizionati in pagine ed allocati in
un numero intero di pagine, non
necessariamente contigue
52
Soluzione: Paginazione
Memoria
0000x
Programma A
Programma A
Programma A
Programma B
Programma B
Programma D
53
Soluzione: Paginazione
Memoria
0000x
Programma A
Programma A
Programma A
Programma E
Programma F
Programma D
Programma F
54
Gestione della memoria centrale 4
Un altro meccanismo ampiamente utilizzato per
partizionamento della memoria è detto segmentazione:
Un
programma
può
essere
logicamente frazionato in parti che
svolgono funzioni distinte
Il gestore della memoria può
utilizzare il partizionamento logico
del programma per caricare
segmenti
diversi
in
maniera
indipendente
il
1
4
1
2
3
4
2
3
Spazio utente
Spazio fisico di memoria
Nota: Mentre le pagine hanno lunghezza fissa, i segmenti,
essendo semanticamente significativi, hanno lunghezza
variabile
55
Gestione della memoria centrale 5
Segmentazione e paginazione non sono mutuamente
esclusive: in molti SO vengono applicate contemporaneamente
In entrambi i casi, il gestore della memoria offre al programma
applicativo la visione di una memoria virtuale, che può essere
maggiore di quella fisica
Si possono gestire programmi caricandone effettivamente in
memoria solo le pagine (o i segmenti) relative al codice
attualmente in esecuzione
Le pagine (o i segmenti) che non sono al momento caricate in
memoria rimangono disponibili sulla memoria di massa,
all’interno di opportuni file
56
La memoria virtuale
Memoria
0000x
Programma A-1
Programma B-1
Programma D
Swap
Programma A-2
Programma A-3
Programma B-2
57
La memoria virtuale
Memoria
0000x
Programma A-2
Programma B-1
Programma D
Swap
Programma A-1
Programma A-3
Programma B-2
58
Gestione della memoria centrale 6
Un sistema informatico può avere una memoria virtuale di v
gigabyte ed una memoria fisica di p gigabyte, con v > p
La memoria virtuale garantisce la condivisione efficiente della
memoria centrale fra più processi, e consente l’esecuzione di
quei programmi la cui dimensione s è maggiore della
dimensione p della memoria fisica
Naturalmente, la dimensione s del programma non può
essere superiore a quella della memoria virtuale realizzata dal
gestore
59
Gestione della memoria centrale 7
La gestione di memoria e processi deve essere coordinata: quando
un processo viene eseguito, il codice relativo al corrispondente
programma deve essere almeno parzialmente residente in memoria
Più precisamente: le pagine (o i segmenti) attualmente in esecuzione o
che contengono i dati attualmente indirizzati/elaborati devono risiedere
in memoria centrale
Se una pagina o un segmento necessario al processo non è
presente in memoria centrale, il processo deve essere sospeso per
consentire il caricamento, da parte del gestore della memoria, della
pagina o del segmento di codice
Il processo corrispondente passa da running a waiting; entrerà
nuovamente nella ready queue quando saranno completate le
operazioni necessarie a portare la pagina o il segmento in memoria
60
Memoria di modo S ed U 1
Ai programmi che realizzano le funzioni proprie del SO, ed
alle strutture dati da esso usate, devono essere assegnate
opportune zone di memoria
Inoltre, i processi di sistema possono usare l’intero set di
istruzioni del calcolatore (talune non disponibili per i
programmi utente), possono venire allocati in memoria in
maniera ottimale, e devono essere protetti da errori causati
da altri programmi
La memoria viene suddivisa in memoria di modo S (supervisore)
e memoria di modo U (utente)
Nella porzione di modo S vengono caricati i processi del SO e
vengono create le strutture dati da esso utilizzate
Nella porzione di modo U vengono caricati i processi utente
61
Memoria di modo S ed U 2
Se il processore sta eseguendo un processo utente, lo si dice attivo
in modo utente (modo U), se esegue un processo di sistema, cioè
se è attivo il nucleo, lo si dice attivo in modo supervisore (modo S)
Quando il processore è attivo in modo S può accedere a tutta la
memoria (di modo U e di modo S) ed ha a disposizione un insieme più
ricco di istruzioni
Il processore attivo in modo U può accedere solo alle zone di memoria
di modo U, ed in particolare a quelle riservate al solo processo in
esecuzione
La suddivione della memoria protegge il codice e le strutture dati
che il SO usa per garantire una gestione delle risorse corretta ed
efficiente
Le istruzioni di codice utente non possono accedere a zone di memoria
di modo S se non richiedendo l’intervento del SO
62
La gestione delle periferiche
63
La gestione dei dispositivi di I/O
La gestione dell’I/O richiede:
Un’interfaccia comune per la gestione dei device driver
Un insieme di driver per dispositivi hardware specifici
Un sistema di gestione di buffer per il caching delle
informazioni
Il gestore dei dispositivi di I/O è il modulo del SO incaricato
di assegnare i dispositivi ai task che ne fanno richiesta e di
controllare i dispositivi stessi
Da esso dipende la qualità e il tipo di periferiche riconosciute
dal sistema
64
Driver di dispositivo
I driver sono moduli software cui è affidato il compito di
comunicare dati da e verso le periferiche
Permettono l’accesso alle periferiche tramite “primitive di
alto livello”
I device driver implementano le seguenti funzioni:
Rendono trasparenti le caratteristiche fisiche tipiche di ogni
dispositivo
Gestiscono la comunicazione dei segnali verso i dispositivi
Gestiscono i conflitti, nel caso in cui due o più task vogliano
accedere contemporaneamente allo stesso dispositivo
I driver vengono scritti specificamente per ciascun
dispositivo e sono normalmente forniti dal costruttore
65
Il file system
66
Il file system 1
File: Spazio di indirizzi logici contigui; è un insieme di
informazioni correlate e registrate nella memoria secondaria,
a cui è stato assegnato un nome
Dal punto di vista dell’utente...
...è la più piccola porzione di memoria secondaria indirizzabile
logicamente e...
...i dati possono essere scritti nella memoria secondaria
soltanto all’interno di un file
Dal punto di vista del SO...
...i file vengono mappati su dispositivi fisici di memorizzazione
non volatili
67
Il file system 2
Attributi del file:
Nome: identificativo del file
Locazione: puntatore al dispositivo ed alla posizione del file sul
dispositivo
Dimensione: dimensione attuale del file
Protezione: parametri di controllo per l’accesso in lettura,
scrittura ed esecuzione del file
Ora, data, identificativo dell’utente: dati necessari a protezione
e sicurezza del sistema, e per il controllo d’uso
68
Il file system 3
Il file system è responsabile della gestione dei file in
memoria di massa
struttura i dati in file...
...li organizza in directory (o cartelle)
realizza inoltre un insieme di funzioni di alto livello per operare
su file e directory
Il file system garantisce una gestione dei file indipendente
dalle caratteristiche fisiche dei dispositivi che costituiscono la
memoria di massa: astrazione utile sia per l’utente sia per i
programmi
69
La gestione dei file 1
Le infomazioni sui file sono conservate nella struttura di
directory, che risiede sulla memoria secondaria
Le directory hanno (nel caso più semplice) organizzazione ad
albero; ciascuna directory può contenere file e sottodirectory
Directory
File
Albero delle directory
70
La gestione dei file 2
Ciascun file viene identificato da un pathname che include
l’intero cammino, dalla radice dell’albero al file stesso
Tutti i file e sottodirectory presenti nella stessa directory
devono avere nomi distinti ciascun pathname è unico
Il file system di WINDOWS
71
La gestione dei file 3
Un utente che interagisce con il file system ha un
proprio contesto, cioè una specifica posizione nel file
system, corrispondente ad un nodo nell’albero
Per default, all’atto del collegamento al sistema, il
contesto dell’utente è costituito dalla sua home
directory
Il contesto può essere variato, muovendosi ovunque
nell’albero delle directory (almeno in quelle accessibili
all’utente)
72
La gestione dei file 4
Funzioni disponibili agli utenti del file system:
Creazione di file (operazione normalmente eseguita da
software applicativo, come editor e word processor) e
directory
Comandi per stabilire i parametri di protezione
Lista del contenuto di una directory
Comandi per cambiare il contesto
Copia, ridenominazione e visualizzazione di file
Cancellazione di file e rimozione di directory
73
