Il Software: Obiettivi Concetto di Macchina Virtuale Macchine Virtuali

Il Software: Obiettivi
n
Programmare direttamente la macchina hardware è
molto difficile:
n
l’utente dovrebbe conoscere l’organizzazione fisica
del computer e il suo linguaggio macchina;
n
un programma dipenderebbe strettamente dalla
struttura hardware e ogni piccola differenza
hardware comporterebbe una riscrittura del
programma.
n
n
n
Macchine Virtuali
Concetto di Macchina Virtuale
n
Questi obiettivi vengono raggiunti grazie alla
definizione di macchine virtuali che vengono
realizzate al di sopra della macchina hardware reale
n
Utente
n
HW
n
macchina virtuale
Questo non è accettabile, vogliamo invece:
astrarre dall’organizzazione fisica della macchina,
in quanto vogliamo usare nello stesso modo,
macchine leggermente diverse dal punto di vista
hardware o, al limite, macchine con hardware
molto diverso
interagire in modo semplice con la macchina;
programmare ad alto livello la macchina;
infine vogliamo programmi applicativi per
svolgere diversi compiti utili (videoscrittura, fogli di
calcolo, database, editing di immagini, etc…)
Ogni macchina reale ha un suo linguaggio macchina
L0 le cui istruzioni sono direttamente eseguibili dal
processore (HW)
Al di sopra di questo linguaggio è possibile definire
una gerarchia di linguaggi Li e fornire delle regole per
tradurne le istruzioni in opportune sequenze di
istruzioni in linguaggio macchina
L’insieme di queste nuove istruzioni definisce una
macchina virtuale in quanto non esiste fisicamente
ma viene realizzata mediante il software
La macchina virtuale si occupa della traduzione delle
istruzioni al livello Li nell'opportuna sequenza di
istruzioni di livello Li-1 che realizza la stessa funzione
Machine virtuali
Il software fornisce:
Utente
Interfaccia
Macchina virtuale N - sistema di comandi LN
Interprete dei comandi
1. Un sistema di interazione semplice con la
macchina
2. Linguaggi ad alto livello per programmare
la macchina;
3. Programmi applicativi per svolgere diversi
compiti (videoscrittuta, fogli di calcolo,
database, etc…)
Macchina virtuale 1 - sistema di comandi L1
Interprete dei comandi
Hardware - Linguaggio macchina L0
1
1. Esempio esecuzione di un comando virtuale
supponiamo che l'utente voglia stampare
un documento doc1 (un file).
A livello fisico questa operazione è complessa
e richiede operazioni di trasferimento dati ad esempio
dal disco alla stampante (via memoria principale)
La macchina virtuale potrebbe fornire all'utente un
semplice comando di stampa del tipo:
stampa doc1
2. Linguaggi di programmazione
n
n
n
Un programma scritto in un linguaggio di
programmazione è costituito da una sequenza di
istruzioni ad alto livello strutturate in modo complesso
Compilatore: traduce il programma intero in un
insieme di istruzioni macchina
– il programma tradotto si chiama (file) eseguibile
Interprete: traduce una istruzione per volta del
linguaggio in una sequenza di istruzioni macchina e
le esegue
n
n
n
La macchina virtuale deve innanzitutto verificare se si tratta
di un comando valido
Poi tradurlo nell’opportuna sequenza di istruzioni a basso
livello per la macchina fisica
Grazie a questo livello software si può astrarre dalle
caratteristiche fisiche della macchina e della periferica (la
stampante)
n
Si può anche fare in modo che macchine differenti siano
usabili in modo simile: si tratta, infatti, di costruire al di sopra
delle diverse macchine fisiche la stessa macchina virtuale
n
Per ogni comando della macchina virtuale si dovranno però
avere diversi programmi di traduzione, uno per ogni tipo di
hardware
Esempio di Programma in linguaggio C che calcola
la funzione fattoriale
#include <stdio.h>
long int fattoriale(int n)
{if (n == 0 || n == 1)
return 1;
else
return n * fattoriale(n-1);
}
main()
{ int x;
printf("dimmi un numero\n");
scanf("%d", &x);
printf("fattoriale di %d = %d\n", x, fattoriale(x));
getch();
}
Esempio di Programma in linguaggio C che copia un file
Compilazione
#include <stdio.h>
main(int argc, char* argv[])
{FILE *fsource;
char p[80] = "Copia di ";
char c;
if (argc < 2)
{printf("FILE SORGENTE NON SPECIFICATO\n");
exit(1);}
fsource=fopen(argv[1],"rb");
fdest=fopen(strcat(p, argv[1]),"wb");
if (!fsource)
{printf("ERRORE FILE NON ESISTENTE\n");
exit(1);}
while((c=getc(fsource))!=EOF) putc(c,fdest);
fclose(fsource);
fclose(fdest);
return 0;}
n
n
n
n
Il programma è contenuto in un file copia.c
(fatto.c)
copia.c (fatto.c) viene compilato mediante
un programma compilatore
Il compilatore produce un programma
eseguibile copia.exe (fatto.exe)
Il programma eseguible può essere poi
eseguito
2
Il Sistema Operativo
Compiti del Sistema operativo
Sistema Operativo: insieme di programmi che
interagiscono e cooperano tra di loro per realizzare
due obiettivi fondamentali:
n gestire efficientemente il computer e le sue
periferiche, cercando di sfruttare al massimo tutte
le componenti hardware
n creare un ambiente virtuale per facilitare
l'interazione uomo-macchina
n
Configurazione e accensione macchina
n
Gestione del processore
n
Gestione della memoria principale
n
Gestione di informazione in memoria
secondaria (File System)
n
Gestione delle periferiche
n
Interazione utente macchina: interfaccia e
interprete comandi
Protezione dei dati (sicurezza)
n
Esempio di esecuzione di un comando
da parte del sistema operativo
Eseguiamo da una finestra MS-DOS un comando come date:
Esempio
date
BUFFER
Il comando provoca l’esecuzione di una decina (o anche più) di
funzionalità del S.O.
Le operazioni effettuate 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
MEMORIA
CENTRALE
listener
Monitor
Disco rigido
file manager
terminal driver
disk driver
date
BUFFER
Tastiera
Ogni carattere dato in input dalla tastiera viene
ricevuto dal terminal driver che lo invia al monitor per
la visualizzazione
Struttura del sistema operativo
Esempio
05/04/05
BUFFER
MEMORIA
CENTRALE
date
listener
Monitor
file manager
terminal driver
disk driver
BUFFER
Disco rigido
Nucleo (kernel)
148.608.043.200.104
timer
Tastiera
gestione memoria
processore, risorse
interfaccia comandi
applicazioni/programmi di utilita’
Il programma date tramite il terminal driver visualizza
sul monitor la data
3
Tipi di sistemi operativi
n
Esistono diversi tipi di sistemi operativi per diverse
classi di computer
n
Distinzione fondamentale
– sistemi mono-utente
– sistemi multi-utente
Il Sistema Operativo
Sistemi mono-utente pensati per Personal Computer
– IBM PC - Compatibili (DOS - Windows)
– Macintosh
n Due diversi tipi di interazione utente/computer:
– interazione testuale (es. MS-DOS per PC-IBM)
– interazione grafica (es. Macintosh, Windows,Linux)
Avviamento del computer
Sistemi operativi multi-utente:
n UNIX (Workstation, PC: LINUX)
– Utilizzato per computer collegati in rete
– supporta varie interfacce grafiche (a
finestre)
n Windows NT,2000,XP
– Utilizzato per computer collegati in rete
Fase di bootstrap:
n Verifica delle risorse hardware e
inizializzazione dei programmi relativi di
gestione
n diagnostica
n caricamento e mantenimento del sistema
operativo
Gestione del processore e dei processi
BIOS (Basic Input-Output System)
n
n
n
E’ la parte piu’ interna del SO risiede su un
chip di memoria RAM permenente (e ROM)
gestisce direttamente le risorse hardware
(terminal driver)
gestisce anche il caricamento (avviamento)
del sistema operativo
n
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
n
Il ruolo del processore è quello di eseguire
programmi
n
Si chiama processo un programma in esecuzione
4
Limite del mono-tasking
Processore e processi
n
qualunque processo alterna fasi di esecuzione a fasi
in cui è bloccato in attesa di qualche evento esterno
n
Un processo può essere in attesa che sia terminata
un’operazione di input di dati oppure in attesa di
poter usare una risorsa in quel momento occupata
n
mentre il processo è bloccato in attesa di eventi
esterni, il processore rimane inattivo, in uno stato
chiamato idle, e risulta pertanto sotto-utilizzato
La gestione del processore è in modo:
mono-tasking: esegue un programma per
volta (MS-DOS)
n
multi-tasking: esegue più programmi
contemporaneamente (Windows varie versioni
dal 95, Macintosh, UNIX)
n
Multi-tasking
n
I tempi di lavoro delle periferiche di input/output, o
addirittura i tempi di reazione umani sono maggiori di
molti ordini di grandezza della velocità del processore
(quindi del tempo in cui un processo è in esecuzione)
n
n
n
n
n
A livello macroscopico si ha quindi l'impressione
della
contemporaneità,
mentre
a
livello
microscopico si ha una semplice alternanza
sequenziale molto veloce
Il tempo di esecuzione, cioè il tempo che intercorre
tra l'inizio e la fine del processo, risulta aumentato
rispetto
al
caso
mono-tasking
a
causa
dell’alternanza con gli altri processi
Come è possibile eseguire più programmi
contemporaneamente sullo stesso processore?
Ad ogni istante vi è un solo processo attivo
Il processore alterna l’esecuzione dei vari
programmi
Il tempo di lavoro della CPU viene suddiviso tra i
vari programmi
Se l'alternanza tra i processi è frequente (ad es.10
millisecondi), l'utente ha l'impressione che
l'esecuzione dei programmi sia simultanea
Un processo può trovarsi in tre diversi stati:
n
in esecuzione,
processore;
quando
sta
utilizzando
il
n
in attesa (bloccato), quando è in attesa del
verificarsi di un evento esterno (terminazione di
un’operazione di input/output o altro)
n
pronto, quando è potenzialmente in condizione
di utilizzare il processore che è occupato da un
altro processo
5
Gestione della memoria principale
Gestione del processore e dei processi
n
n
terminazione
in_esecuzione
scambio
esecuzione
richiesta I/O o risorsa
pronto
creazione
in_attesa
I/O terminato o
risorsa disponibile
Indirizzi fisici e indirizzi logici
n
n
n
indirizzi logici: gli indirizzi presenti nei programmi
indirizzi fisici: gli indirizzi RAM assegnati al
programma quando viene caricato dal disco
Per poter essere caricato a blocchi il programma
viene suddiviso in blocchi logici e il SO si occupa di
assegnare a ciascun blocco logico un blocco fisico
trasformando gli indirizzi logici in quelli fisici
n
Nel caso multi-tasking la memoria deve essere
condivisa da piu’ programmi
la memoria viene suddivisa in blocchi, ad ogni
programma viene assegnato un certo numero di
blocchi (non necessariamente contigui) di
memoria
Meccanismi di partizione:
– paginazione: blocchi di dimensione costante
(pagine):
– segmentazione: blocchi di dimensione
variabile (segmenti)
Corrispondenza tra blocchi logici e fisici
RAM
P1/2
P3/1
P2/1
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P1/3
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