Sistemi Operativi – Anno Acc. 2013/14 matricole congr. 1 mod 3
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Sistemi Operativi – Anno Acc. 2013/14 matricole congr. 1 mod 3! Docenti e Orario! Teoria – Prof. Ferdinando Cicalese! Lezioni: Mercoledì ! 9:00 – 11:00 (Aula P4) ! !Giovedì !11:00 – 13:00 (Aula P4)! ! Laboratorio – Prof. Giuseppe Cattaneo !Martedì ! ! 9:00 – 12:00 (Lab Turing) ( extra ) !Martedì ! ! 12:00 – 14:00 (Lab Turing) ! ! 1! Materiale Didattico - Teoria! Libri di Testo: ! !Sistemi Operativi, VII Ed. ! !Silberschatz, Galvin, Gagne ! !Addison Wesley! ! ! ! ! Slide delle lezioni, al sito del corso: ! ! http://www.dia.unisa.it/~cicalese/SO! Laboratorio! 1a Lezione di Laboratorio martedì 11 (prossima settimana)! Installazione di Linux su macchina virtuale! ! !1. Portare una penna USB da almeno 16Gb o un hard disk esterno !! !2. Richiedere account (presso Fulvio Marino, II piano, Tecnici DI)! ! ! ! ! Lezioni 2,3,4,…,12 - Programmazione avanzata UNIX (system calls) ! ! BASH Shell (configurazione, elementi di prog.) ! ! Testo: Advanced Programming in the UNIX Environment, II Ed.! ! !W.R. Stevens, S.A. Rago! ! !Addison-Wesley! ! ! !Requisiti: padronanza del linguaggio C (! strutture e puntatori !)! ! 2! Modalità di Esame! Prova scritta! !tre domande teoriche ! !un esercizio di programmazione! ! ! Prova orale … con possibilità di confermare il voto dello scritto! ! ! ! 6 Sessioni di esame (cercate di sceglierne al più una per gruppo)! - 3 tra giugno e luglio! - 1 settembre! - 2 tra gennaio e febbraio 2015! ! Prove in Itinere NO !! ! Esercitazioni - fortemente consigliate!!!!! Contatti e Ricevimento Studenti! (durante il corso) ! !Per la parte di Teoria! !Dip. Informatica - Studio 46 – Piano IV! Mercoledì !14:30 – 16:00 ! Giovedì !14:30 – 16:00! Giovedì !(dopo la lezione)! ! ! ! (dopo la fine del corso)! !Inviare mail per richiedere appuntamento! ! Sito Web del corso: http://www.dia.unisa.it/~cicalese/SO! ! e-mail: [email protected]! !- non utilizzare per domande che richiedono risposte complesse! !- usare l’orario di ricevimento! 3! Domande???! Sistemi Operativi: Panoramica! 4! Sommario! Cosa fa un Sistema Operativo! Operazioni di un sistema operativo! Gestione dei processi! Gestione della memoria! Gestione delle memorie di massa! Protezione e sicurezza! Organizzazione di un sistema di calcolo! Architettura di un calcolatore! Struttura di un sistema operativo! Operating System Concepts – 7th Edition! 1.9! Silberschatz, Galvin and Gagne ©2005! Cosa è un sistema operativo ?! Un programma che fa da intermediario tra gli utenti di un computer ed il suo hardware.! Scopi di un sistema operativo:! Eseguire programmi utente! Rendere agevole l’uso del calcolatore. ! Rendere efficiente l’uso delle componenti hardware del sistema di calcolo.! Operating System Concepts – 7th Edition! 1.10! Silberschatz, Galvin and Gagne ©2005! 5! Struttura di un sistema di calcolo! Un sistema di calcolo può essere diviso nelle seguenti componenti! Hardware – fornisce le risorse di calcolo di base! CPU, memory, I/O devices! Sistema operativo! Controlla e coordina l’uso dell’hardware tra diverse applicazioni e utenti! Programmi applicativi– definiscono come usare le risorse del sistema per risolvere problemi computazionali definiti dagli utenti! Word processors, compilatori, web browsers, sistemi di database, video games! Utenti! umani, Operating System Concepts – 7th Edition! dispositivi automatici, altri computer! 1.11! Silberschatz, Galvin and Gagne ©2005! 4 Componenti di un Sistema di Calcolo! Operating System Concepts – 7th Edition! 1.12! Silberschatz, Galvin and Gagne ©2005! 6! Definizione di Sistema Operativo! ! SO è un distributore di risorse! Gestisce tutte le risorse del calcolatore! Risolve richieste in concorrenza garantendo un uso equo ed efficiente delle risorse! SO è un programma di controllo! Controlla l’esecuzione dei programmi evitando uso erroneo ed improprio del computer! Operating System Concepts – 7th Edition! 1.13! Silberschatz, Galvin and Gagne ©2005! Definizione di SistemaOperativo (cont.)! caveat:! Nessuna definizione universalmente accettata! …altre alternative! “Tutto ciò che una software house fornisce all’acquisto di un sistema operativo” ! è una buona approssimazione…ma può esserlo molto “alla larga”! “L’unico programma che è sempre in funzione sul computer”! è il kernel. Il resto comprende programmi di sistema (forniti con il sistema operativo) o applicativi.! Operating System Concepts – 7th Edition! 1.14! Silberschatz, Galvin and Gagne ©2005! 7! Che cosa fa un SO? Le operazioni fornite dal Sistema Operativo! Gestione dei Processi Gestione della Memoria Gestione dei File e dell’I/O! Protezione e Sicurezza! Gestione dei Processi! Un processo è un programma in esecuzione. L’Unità base di lavoro del sistema. Programma: entità passiva, Processo: entità attiva.! Processo: necessita di risorse per completare I suoi compiti! CPU, memoria, I/O, file! Dati di inizializzazione! Terminazione di un processo deve liberare ogni risorsa riutilizzabile! Processi Single-thread (?!?): un program counter per la locazione della prossima istruzione da eseguire! Le istruzioni di un processo sono eseguite in sequenza, una alla volta fino a completamento! Processi Multi-thread: un program counter per thread! Tipicamente in un sistema girano più processi (utente e di sistema) concorrentemente su una o più CPU! Concorrenza: multiplexing della CPUs tra processi / threads! ! Operating System Concepts – 7th Edition! 1.16! Silberschatz, Galvin and Gagne ©2005! 8! Gestione dei Processi! Il sistema operativo è responsabile delle seguenti operazioni relative alla gestione dei processi:! Creazione e cancellazione di processi utente e di sistema! Sospensione e riattivazione dei processi! Fornitura di meccanismi di sincronizzazione! Fornitura di strutture per la comunicazione tra processi! Gestione di situazioni di stallo (deadlock)! Operating System Concepts – 7th Edition! 1.17! Silberschatz, Galvin and Gagne ©2005! Gestione della Memoria! I dati devono essere in memoria perché la CPU possa usarli! … così come le istruzioni da eseguire! Gestione della Memoria: cosa debba essere in memoria e quando! Ottimizzazione della CPU e dei tempi di risposta agli utenti! Attività di gestione della Memoria! Tener traccia di quali parti della memoria sono in uso e da chi! Decidere quali processi (o loro parti) e dati mettere o togliere dalla memoria! Allocare e deallocare spazio di memoria quando necessario! Operating System Concepts – 7th Edition! 1.18! Silberschatz, Galvin and Gagne ©2005! 9! Gestione della Memorizzazione! SO fornisce una visione logica uniforme dei sistemi di memoria sec.! Unità logica di memorizzazione: file (proprietà astratte)! Ogni supporto corrisponde ad un dispositivo (es., disk drive, tape drive)! Diverse proprietà in termini di velocità di accesso, capacità, data-transfer rate, metodi di accesso (sequenziale o diretto)! Gestione del File-System! File organizzati in directory! Controllo dell’accesso! OS deve tipicamente gestire! Creazione e cancellazione di file e directory! Primitive di manipolazione di file e directory! Corrispondenza Backup tra file logico e fisico! dei file su supporti non-volatili! Operating System Concepts – 7th Edition! 1.19! Silberschatz, Galvin and Gagne ©2005! Gestione della Memoria di Massa! In genere si usano dischi per quei dati che non entrano in Memoria centrale o che devono esssere conservati tra una sessione di lavoro e l’altra.! La gestione della mem. di massa è cruciale! L’efficienza globale del sistema dipende dal sotto-sistema di gestione dei dischi e dai suoi algoritmi! SO si occupa di! Gestire lo spazio libero! Allocazione dello spazio di memorizzazione! Schedulazione delle richieste ai dischi! Alcune memorie di massa possono essere lente! Memoria Terziaria: include dischi ottici, nastri magnetici! Necessita comunque di metodi opportuni di gestione! Diversi tipi: WORM (write-once, read-many-times), RW (read-write)! Operating System Concepts – 7th Edition! 1.20! Silberschatz, Galvin and Gagne ©2005! 10! Sottosistema di I/O! Il SO deve tra l’altro nascondere le peculiarità fisiche dell’hardware! Il sottosistema di I/O si occupa di ! Gestire il buffering (memorizzazione temporanea dei dati durante il trasferimento), caching (memorizzazione di parte dei dati in memoria più veloci), spooling (sovrapposizione di output di un processo con l’input di un altro)! Interfacce per più device-driver ! Driver specifici per particolari dispositivi hardware! Operating System Concepts – 7th Edition! 1.21! Silberschatz, Galvin and Gagne ©2005! Protezione e Sicurezza! Protezione – ogni meccanismo per controllare l’accesso di processi e utenti alle risorse! Sicurezza – difesa del sistema contro attacchi interni ed esterni! Es. denial-of-service, worms, virus, identity theft, theft of service! Il sistema assegna agli utenti diversi livelli di accesso alle risorse ! Ogni utente viene identificato (user IDs, security IDs) include nome e un numero associato! User ID: è associato a tutti I file e processi di quell’utenteper regolamentarne l’accesso! Group ID: permette la creazione di autorizzazioni per insiemi di utenti; ogni processo e file ha associato anche un group id.! Acquisizione di privilegi (Privilege escalation) permette agli utenti di apparire al sistema con un ID con altri privilegi. ! Operating System Concepts – 7th Edition! 1.22! Silberschatz, Galvin and Gagne ©2005! 11! Come funziona un SO? Meccanismi di un Sistema Operativo! Interrupt I/O sincrono e asincrono Gerarchie di Memoria e Caching! Organizzazione del Sistema! Operazioni di un sistema di calcolo! Uno o più CPU e controllori sono connessi mediante un bus che permette l’accesso alla memoria condivisa! Esecuzione concorrente delle CPU e dei dispositivi che “competono” per i cicli di memoria! Operating System Concepts – 7th Edition! 1.24! Silberschatz, Galvin and Gagne ©2005! 12! Computer Startup! Programma di inizializzazione (bootstrap) viene caricato all’accensione o al reboot! Tipicamente risiede in ROM o EPROM (firmware)! Inizializza il sistema! Carica il kernel del sistema operativo e lo esegue! …! il sistema operativo rimane in attesa di un qualche evento! Interrupt Operating System Concepts – 7th Edition! (?!? :-O)! 1.25! Silberschatz, Galvin and Gagne ©2005! Operazioni del sistema di calcolo! Dispositivi di I/O e CPU possono agire concorrentemente.! Ogni controllore di dispositivo si occupa di un particolare tipo di dispositivo.! Ogni controllore ha un buffer locale.! CPU sposta dati da/verso la memoria verso/dai buffer locali! I/O avviene dal dispositivo al buffer locale del controllore.! Il controllore di dispositivo informa la CPU che l’operazione di I/O è terminata mediante un interrupt.! Operating System Concepts – 7th Edition! 1.26! Silberschatz, Galvin and Gagne ©2005! 13! Interrupt: Funzioni! Un Interrupt trasferisce il controllo ad una routine di controllo degli interrupt, (es. mediante un vettore degli interrupt, che contiene gli indirizzi delle routine di gestione degli interrupt)! si salva l’indirizzo dell’istruzione interrotta dall’interrupt.! Interrupt disabilitati mentre se ne gestisce uno,! Una trap (o eccezione) è un interrupt generato a livello software! errore ! richiesta di servizio da programma utente.! Il sistema operativo è interrupt driven.! Operating System Concepts – 7th Edition! 1.27! Silberschatz, Galvin and Gagne ©2005! Gestione degli Interrupt! Il sistema operativo conserva lo stato della CPU salvando il contenuto dei registri e del program counter.! Determina che tipo di interrupt:! polling! vectored interrupt system! Diverse sezioni di codice definiscono quali azioni intraprendere per ciascun interrupt! Operating System Concepts – 7th Edition! 1.28! Silberschatz, Galvin and Gagne ©2005! 14! Interrupt Timeline! Operating System Concepts – 7th Edition! 1.29! Silberschatz, Galvin and Gagne ©2005! Struttura dell’I/O! Iniziato l’I/O, il controllo ritorna al programma utente solo al completamento dell’operazione di I/O.! La CPU è in attesa fino al successivo interrupt! Wait loop! Al più una richiesta di I/O per volta; I/O simultanei impossibili.! Iniziato l’I/O, il controllo ritorna al programma utente senza attendere il completamento dell’oper. di I/O.! System call – richiesta al sistema operativo di attesa del completamento di I/O.! Device-status table un elemento per ogni dispositivo di I/O indicante il suo tipo, l’indirizzo e lo stato.! Il Sistema Operativo accede alla I/O device table per controllare lo stato di un dispositivo e per modificare il contenuto della tavola in seguito ad un interrupt.! Operating System Concepts – 7th Edition! 1.30! Silberschatz, Galvin and Gagne ©2005! 15! Due Metodi di gestione di I/O! Synchronous! Operating System Concepts – 7th Edition! Asynchronous! 1.31! Silberschatz, Galvin and Gagne ©2005! Device-Status Table! Operating System Concepts – 7th Edition! 1.32! Silberschatz, Galvin and Gagne ©2005! 16! Direct Memory Access! Usato per dispositivi di I/O veloci, capaci di trasmettere informazioni a velocità “vicina” a quella della memoria.! Il controllore di dispositivo trasferisce blocchi di dati direttamente dal buffer alla memoria centrale senza l’intervento della CPU.! Un solo interrupt per blocco di dati viene generato, anziché un interrupt per byte.! Operating System Concepts – 7th Edition! 1.33! Silberschatz, Galvin and Gagne ©2005! Struttura della Memoria! Memoria centrale – l’unico dispositivo di memorizzazione accessibile direttamente alla CPU.! Memoria Secondaria – estensione della memoria centrale che fornisce disponibilità di memoria ampia e non-volatile.! Dischi magnetici –metallici o in vetro ricoperti di materiale magnetico! La superficie dei dischi viene divisa in tracce, a loro volta suddivise in settori.! Il disk controller permette la gestione logica del dispositivo da parte del computer. ! Operating System Concepts – 7th Edition! 1.34! Silberschatz, Galvin and Gagne ©2005! 17! Gerarchia della Memoria! La gerarchia della memoria è basata su! Velocità! Costo! Volatilità! Caching – copia delle informazioni in dispositivi di memoria più veloce; la memoria centrale può esser considerato l’ultimo livello di cache per la memoria secondaria.! Operating System Concepts – 7th Edition! 1.35! Silberschatz, Galvin and Gagne ©2005! Gerarchia della Memoria! Operating System Concepts – 7th Edition! 1.36! Silberschatz, Galvin and Gagne ©2005! 18! Caching! Principio fondamentale, sfruttato a diversi livelli in un computer (hardware, sistema operativo, software)! I dati in uso vengono temporaneamente copiati da memorie lente a memorie più veloci! Il dispositivo di memoria veloce (cache) viene quindi esplorato prima per controllare se il dato ricercato è disponibile! Se si, si usa la copia disponibile in cache (accesso veloce)! Se no, il dato viene copiato in cache e usato lì! La Cache è ridotta rispetto alla memoria cui fa da cache! La gestione della Cache è un importante problema di progettazione:! Dimensione e sostituzione dei dati della Cache! ! Operating System Concepts – 7th Edition! Silberschatz, Galvin and Gagne ©2005! 1.37! Performance di Diversi Livelli di Memoria! Level! 1! 2! 3! 4! 5! Name! registers! cache L1! cache L4! main mem! disk storage! Typical size! few KB! > 128 KB! > 128 MB! Gigabytes! Terabytes! Technology! Custom mem! SRAM! SRAM! DRAM! Solid state! Bandwidth! 1CPU cycle! 700GB/sec! 40GB/sec! 10 GB/sec! 600MB/sec! Managed by! Compiler! Hardware! Hardware! OS! OS! Backed by! Cache ! Main mem! Disk! CD / tape! Cache! Operating System Concepts – 7th Edition! 1.38! Silberschatz, Galvin and Gagne ©2005! 19! Cammino dell’intero A da Disco a Registro! Sistemi di Multitasking devono fare attenzione a usare il valore più recente, indipendentemente da dove esso si trovi nella gerarchia della memoria ! Sistemi Multiprocessore devono garantire, in hardware, la coerenza tra le cache così che tutte le CPUs dispongano del valore più recente nella loro cache! Nei sistemi distribuiti la situazione è più complessa! Possono esistere diverse copie dello stesso dato! Esistono diverse soluzioni per gestire tali complicazioni! Operating System Concepts – 7th Edition! 1.39! Silberschatz, Galvin and Gagne ©2005! Struttura del Sistema Operativo! ! Multiprogrammazione necessaria per l’efficienza! Un unico utente non può tenere impegnati CPU e I/O costantemente! Multiprogrammazione organizza jobs (codice e dati) in modo da tenere la CPU sempre occupata ad eseguirne uno! Un sottinsieme di tutti i job è in memoria! Un job viene selezionato ed eseguito (job scheduling)! Quando deve attendere un evento (I/O per esempio), il SO passa ad eseguire un altro job! Timesharing (multitasking) estensione della MultiProgrammazione: la CPU passa frequentemente da un job all’altro così che gli utenti possono interagire con tutti i job in esecuzione, senza notare la condivisione della stessa (unica?) CPU! Response time dovrebbe essere < 1 sec! Ogni utente ha almeno un programma in esecuzione process! Se più job sono pronti per essere eseguiti CPU scheduling! Se i processi non entrano in memoria, swapping! Virtual memory permette l’esecuzione di processi non completamente in memoria! Operating System Concepts – 7th Edition! 1.40! Silberschatz, Galvin and Gagne ©2005! 20! Layout di Memoria - Multiprogrammed System! Operating System Concepts – 7th Edition! 1.41! Silberschatz, Galvin and Gagne ©2005! Sistema operativo e CPU dual Mode! Interrupt driven in hardware! Errori Software e richieste generano exception or trap! Divisione per zero, richieste di procedure di sistema! Altre situazioni problematiche: loop infiniti, processi che provano a modificare altri processi o il sistema operativo! Dual-mode permette al SO di proteggere se stesso e le altre componenti di sistema! User mode e kernel mode ! Mode bit fornito in hardware! Permette di distinguere tra esecuzione di codice utente e codice kernel! Istruzioni considerate privilegiate, sono eseguibili solo in modalità kernel! System call passano alla modalità kernel, return dalla system call riporta in modalità utente! Operating System Concepts – 7th Edition! 1.42! Silberschatz, Galvin and Gagne ©2005! 21! Modalità Utente e Kernel! Timer per prevenire loop infinito / monopolizzazione di risorse! Set interrupt allo scadere di un certo periodo di tempo! Sistema Operativo decrementa contatore! Su contatore = 0, genera un interrupt! Settato prima dello scheduling per riprendere il controllo o terminare programmi che superano il tempo assegnato! Operating System Concepts – 7th Edition! 1.43! Silberschatz, Galvin and Gagne ©2005! Fine ! 22!
