LEZIONI SUI SISTEMI OPERATIVI Ing Ciro Riccio ING

LEZIONI SUI SISTEMI OPERATIVI Ing. Ciro Riccio ING CIRO RICCIO Lezioni sui SISTEMI OPERATIVI 1

Il sistema operativo è l’interfaccia uomo-macchina. ING CIRO RICCIO Lezioni sui SISTEMI OPERATIVI 2

ING CIRO RICCIO Lezioni sui SISTEMI OPERATIVI 3

E’ il programma responsabile del diretto controllo e gestione: 1) dell’ hardware 2) delle operazioni di base 3) dei processi che vengono eseguiti 4) degli accessi degli utenti. ING CIRO RICCIO Lezioni sui SISTEMI OPERATIVI 4

COMPONENTI DI UN SO 1) un gestore di file system che si occupa di esaudire le richieste di accesso alle memorie di massa, 2)un gestore di memoria virtuale che alloca pagine di memoria a richiesta e si assicura che questa sia presente nella memoria fisica al momento giusto ING CIRO RICCIO Lezioni sui SISTEMI OPERATIVI 5

COMPONENTI DI UN SO 3) uno scheduler che assicura ai vari processi in esecuzione una ben definita quantità di tempo di elaborazione, 4) uno spooler che accumula i dati da stampare e li stampa in successione, ING CIRO RICCIO Lezioni sui SISTEMI OPERATIVI 6

COMPONENTI DI UN SO 5)una interfaccia utente (shell o GUI) che permette agli esseri umani di interagire con la macchina; 6) un kernel, fulcro del sistema, che gestisce il tutto. ING CIRO RICCIO Lezioni sui SISTEMI OPERATIVI 7

Kernel Il kernel è il cuore di un sistema operativo. Si tratta di un software che ha il compito di fornire ai moduli che compongono il sistema operativo e ai programmi in esecuzione sul computer le funzioni fondamentali ed un accesso controllato all'hardware, sollevandoli dai dettagli della sua gestione. ING CIRO RICCIO Lezioni sui SISTEMI OPERATIVI 8

File system Il file system è il modo in cui i file sono immagazzinati e organizzati su un dispositivo di archiviazione, come un hard disk o un CD-ROM. Esistono molti tipi di file system, creati per diversi sistemi operativi, per diverse unità di memorizzazione e per diversi usi ING CIRO RICCIO Lezioni sui SISTEMI OPERATIVI 9

Scheduler Lo scheduler è il componente fondamentale dei sistemi operativi multitasking, cioè quelli in grado di eseguire più processi (task) contemporaneamente. ING CIRO RICCIO Lezioni sui SISTEMI OPERATIVI 10

Lo scheduler si occupa di fare avanzare un processo interrompendone temporaneamente un altro, realizzando così un cambiamento di contesto (context switch). Generalmente computer con un processore sono in grado di eseguire un programma per volta, quindi per poter far convivere più task è necessario usare lo scheduler. ING CIRO RICCIO Lezioni sui SISTEMI OPERATIVI 11

Gestore di memoria Il gestore di memoria è la componente del sistema operativo che si occupa di gestire ed assegnare la memoria ai processi che ne fanno richiesta. ING CIRO RICCIO Lezioni sui SISTEMI OPERATIVI 12

La gestione della memoria è necessaria per tenere traccia di quanta memoria è impegnata e di quanta invece è disponibile per soddisfare nuove richieste: in mancanza di un sistema di gestione, si avrebbe prima o poi il caso di processi che ne sovrascrivono altri, con gli ovvi inconvenienti. ING CIRO RICCIO Lezioni sui SISTEMI OPERATIVI 13

Interfaccia utente Si tratta di un programma che permette all'utente di interagire con il computer. Esistono sostanzialmente due famiglie di interfacce utente: interfaccia a linea di comando e interfacce grafiche (GUI). ING CIRO RICCIO Lezioni sui SISTEMI OPERATIVI 14

Spooler di stampa Lo spooler di stampa è stato storicamente il primo modulo esterno del sistema operativo ad essere implementato, per risolvere il problema della gestione delle stampe su carta. ING CIRO RICCIO Lezioni sui SISTEMI OPERATIVI 15

Infatti, essendo le stampanti elettromeccaniche dei dispositivi molto lenti, i primi programmi per elaboratore dovevano necessariamente sprecare molto tempo di CPU, estremamente prezioso all'epoca, per controllare la stampante ed inviarle i dati. ING CIRO RICCIO Lezioni sui SISTEMI OPERATIVI 16

Quindi venne ideato un programma separato, che girava con una priorità molto bassa e che era visto dagli altri programmi come una normale stampante: in realtà invece lo spooler accumulava i dati che un programma doveva stampare in una apposita area di memoria, e poi si faceva carico del processo di stampa ING CIRO RICCIO Lezioni sui SISTEMI OPERATIVI 17

Gestire le periferiche: un processo che ha bisogno di accedere ad una periferica manda un interrupt (interrupt software) e si mette in attesa, la CPU passa il controllo al kernel, che provvede all'I/O per conto del processo, poi fa ripartire il processo, o un altro se lo scheduling lo prevede. ING CIRO RICCIO Lezioni sui SISTEMI OPERATIVI 18

Analogamente una periferica che ha finito il suo lavoro ed ha bisogno della CPU ad esempio deve comunicare che l'utente ha battuto un tasto, manda un interrupt (interrupt hardware) alla CPU, la CPU interrompe il processo in corso e passa il controllo al sistema operativo, che tratta i dati letti dalla periferica e fa quanto necessario. ING CIRO RICCIO Lezioni sui SISTEMI OPERATIVI 19

Sistema multiutente Se un computer può far girare più programmi contemporaneamente, allora può anche accettare comandi da più utenti contemporaneamente……. Problema…………………. ING CIRO RICCIO Lezioni sui SISTEMI OPERATIVI 20

ma fa sorgere una serie di nuovi problemi dal punto di vista della sicurezza del sistema: come distinguere i vari utenti tra loro, come accertarsi che nessun utente possa causare danni agli altri o alla macchina che sta usando ecc. ING CIRO RICCIO Lezioni sui SISTEMI OPERATIVI 21

i diversi sistemi operativi, sono progettati in modo che questo tipo di operazioni avvengano nel più breve tempo possibile e senza “conflitti” ING CIRO RICCIO Lezioni sui SISTEMI OPERATIVI 22

ING CIRO RICCIO Lezioni sui SISTEMI OPERATIVI 23

ING CIRO RICCIO Lezioni sui SISTEMI OPERATIVI 24

Cos’è un sistema operativo ? Applicazioni Software Sistema Operativo Hardware Windows Unix/Linux Mac OS ING CIRO RICCIO È il livello di SW con cui interagisce l’utente e comprende programmi quali : Compilatori Editori di testi Fogli elettronici Sistemi bancari Navigatori per Web …. . gcc, Word, Power. Point Excel, Explorer Fotoshop, Gimp È il livello di SW che interagisce direttamente con l’hw e che si occupa di una uso corretto ed efficiente delle risorse fisiche (processore, memorie, periferiche etc. ) Lezioni sui SISTEMI OPERATIVI 25

Quali sono le funzioni di un SO ? • Esegue applicazioni : – carica il programma binario prodotto della compilazione (e residente su disco) nella RAM, – cede il processore all’applicazione da eseguire • Facilita l’accesso ai dispositivi di I/O – interagisce con le periferiche facendosi carico di tutti i dettagli fisici (es. modem, reti, video…) – mette a disposizione operazioni di lettura/scrittura ad alto livello che possono essere usate senza conoscere i dettagli tecnici della periferica ING CIRO RICCIO Lezioni sui SISTEMI OPERATIVI 26

Quali sono le funzioni di un SO ? (2) • Archivia dati e programmi : – mette a disposizione dell’utente una visione astratta della memoria secondaria (il file system basato sulle astrazioni : file/archivi e folder/cartelle) – gestisce la realizzazione di queste astrazioni sul supporto fisico (disco) gestendo tutti i dettagli legati alla lettura/scrittura dei settori ING CIRO RICCIO Lezioni sui SISTEMI OPERATIVI 27

Quali sono le funzioni di un SO ? (3) • Gestisce le risorse – ripartisce le risorse disponibili fra le varie applicazioni (processore, RAM, periferiche) – evita che ci siano malfunzionamenti dovuti all’uso contemporaneo di risorse • es: un word processor e un web browser che inviano contemporaneamente dati alla stampante provocano una stampa erronea – ottimizza le prestazioni scegliendo delle politiche permettano di sfruttare al meglio tutte le parti del computer ING CIRO RICCIO Lezioni sui SISTEMI OPERATIVI 28

Quali sono le funzioni di un SO ? (4) • Gestisce malfunzionamenti del sistema – rileva e gestisce situazioni anomale • es: se il disco ha un settore difettoso, il SO può trasportare automaticamente le informazioni residenti su quel settore da un’altra parte • es: se un’applicazione cerca di effettuare una operazione non permessa (come leggere i dati di un’altra applicazione) può bloccare l’applicazione segnalando all’utente la situazione erronea ING CIRO RICCIO Lezioni sui SISTEMI OPERATIVI 29

ING CIRO RICCIO Lezioni sui SISTEMI OPERATIVI 30

ING CIRO RICCIO Lezioni sui SISTEMI OPERATIVI 31

ING CIRO RICCIO Lezioni sui SISTEMI OPERATIVI 32

ING CIRO RICCIO Lezioni sui SISTEMI OPERATIVI 33

ING CIRO RICCIO Lezioni sui SISTEMI OPERATIVI 34

ING CIRO RICCIO Lezioni sui SISTEMI OPERATIVI 35

Quali sono le parti di un SO ? Applicazioni Gestore del processore Interprete di comandi (shell) Gestore della memoria Gestore delle periferiche Interfaccia grafica (desktop) File system Hw ING CIRO RICCIO Lezioni sui SISTEMI OPERATIVI 36

Stato utente e stato supervisore • Stato utente : – modalità di funzionamento del computer che permette l’accesso solo a un numero limitato di risorse • es : un sottoinsieme delle istruzioni assembler (non si può accedere alle istruzioni che istruiscono le interfacce di I/O), una sola parte della RAM etc. • Stato supervisore : – modalità che permette l’accesso a tutte le risorse ING CIRO RICCIO Lezioni sui SISTEMI OPERATIVI 37

Stato utente e stato supervisore (2) Eseguiti in stato utente Applicazioni Gestore del processore Interprete di comandi (shell) Gestore della memoria Gestore delle periferiche Interfaccia grafica (desktop) File system Hw ING CIRO RICCIO Lezioni sui SISTEMI OPERATIVI Eseguiti in stato supervisore 38

Stato utente e stato supervisore (3) • I programmi che girano in stato utente richiedono servizi al SO tramite invocazione di sottoprogrammi speciali – system call o chiamate di sistema • Il sistema operativo decide come e quando effettuare il servizio • Il sistema operativo può interrompere un programma che gira in stato utente per eseguire altri programmi o per effettuare operazioni di ‘gestione’ della macchina ING CIRO RICCIO Lezioni sui SISTEMI OPERATIVI 39

Gestione del processore ING CIRO RICCIO Lezioni sui SISTEMI OPERATIVI 40

Esecuzione di un programma Data Flow Passo 1 : scrivere e compilare il programma Codifica in un linguaggio di programmazione (C, Java etc) Programma Input : programma Compilatore Eseguibile Output : rappresentazione comprensibile alla macchina ING CIRO RICCIO Lezioni sui SISTEMI OPERATIVI 41

Esecuzione di un programma (2) • Come è organizzata la rappresentazione binaria eseguibile del programma (spazio di indirizzamento): 232 - 1 Stack/pila Struttura che permette di realizzare correttamente il meccanismo di chiamata a sottoprogrammi È un array di parole ! Codifica binaria dei dati testo 0 ING CIRO RICCIO Lezioni sui SISTEMI OPERATIVI Codifica binaria delle istruzioni assembler in cui il programma è stato tradotto 42

Esecuzione di un programma (3) • Passo 2 : – ricopiare lo spazio di indirizzamento di un programma da memoria secondaria a RAM Ampiezza. RAM - 1 Spazio programma 3 Spazio programma 2 Una possibile organizzazione della RAM con più programmi attivi contemporaneamente ING CIRO RICCIO Spazio programma 1 0 Sistema Operativo Lezioni sui SISTEMI OPERATIVI Area riservata, non accessibile in modalità utente 43

Esecuzione di un programma (4) • Passo 3 : – modificare il PC del processore in modo che contenga correttamente l’indirizzo della prima istruzione assembler da eseguire nel nostro programma Ampiezza. RAM - 1 Spazio programma 3 Spazio programma 2 440 Spazio programma 1 È l’indirizzo da scrivere nel PC 0 ING CIRO RICCIO Prima istruzione da eseguire nel programma 2 Sistema Operativo Lezioni sui SISTEMI OPERATIVI 44

Esecuzione di un programma (5) • Quando un programma utente è stato attivato il processore esegue una dopo l’altra le istruzioni assembler che lo compongono • Un programma in esecuzione viene detto ‘processo’ • Problema : Come fa il Sistema Operativo a riprendere il controllo del processore dopo l’attivazione di un processo? – Terminazione (normale o erronea) – Interruzione ING CIRO RICCIO Lezioni sui SISTEMI OPERATIVI 45

Terminazione di un processo • Un processo termina : – Quando esegue una istruzione assembler di terminazione – Quando effettua una operazione illecita (es. cerca di accedere a memoria privata di altri processi) – Quando c’è un errore che non lo permette di proseguire (es. overflow, etc) • In tutti questi casi il processore ricomincia automaticamente ad eseguire il sistema operativo ad un indirizzo prefissato ING CIRO RICCIO Lezioni sui SISTEMI OPERATIVI 46

Interruzione di un processo • Il sistema operativo può bloccare un processo in un qualsiasi istante della sua esecuzione per effettuare qualche operazione di gestione della macchina • Questo avviene attraverso il meccanismo hardware delle interruzioni ING CIRO RICCIO Lezioni sui SISTEMI OPERATIVI 47

Interruzione di un programma (2) • Come funzionano le interruzioni – ogni periferica può ‘richiedere attenzione’ inviando un segnale di interruzione usando le linee di controllo del bus – alla fine dell’esecuzione di ogni istruzione assembler il processore controlla la presenza di una interruzione – se è presente il controllo passa automaticamente al sistema operativo ING CIRO RICCIO Lezioni sui SISTEMI OPERATIVI 48

Il gestore del processore • Nei computer attuali, tutti i programmi che compongono il SO ed i programmi applicativi ‘avviati’ sono attivi contemporaneamente sul calcolatore (multiprogrammazione) – es : Windows 2000 + Word + cd player. . . • Il gestore del processore si preoccupa di far condividere il processore a tutti i programmi attivi in modo corretto – lo scopo è dare l’impressione che ognuno abbia il suo processore dedicato ING CIRO RICCIO Lezioni sui SISTEMI OPERATIVI 49

Il gestore del processore (2) • Si usa la tecnica dei quanti di tempo – es: 3 programmi attivi Prog 1, Prog 2, Prog 3 – vengono mandati in esecuzione ciclicamente Eseguo Prog 1 Quanto 20 -100 ms Eseguo Prog 2 Eseguo Prog 3 Eseguo Prog 1 Interruzione : il SO riprende il controllo e decide chi eseguire nel quanto successivo Periferica ‘orologio interno’ ING CIRO RICCIO Lezioni sui SISTEMI OPERATIVI 50

Gestione della memoria ING CIRO RICCIO Lezioni sui SISTEMI OPERATIVI 51

Il gestore della memoria • Tutti i programmi che compongono il SO ed i programmi applicativi attivi usano contemporaneamente la RAM • Il gestore della memoria si preoccupa di fare condividere la RAM ai vari processi in esecuzione in modo che : – ogni processo abbia il suo spazio privato distinto dagli altri (e inaccessibile agli altri) – ogni processo abbia abbastanza memoria per eseguire il proprio algoritmo e raccogliere i suoi dati ING CIRO RICCIO Lezioni sui SISTEMI OPERATIVI 52

Il gestore della memoria (2) • La gestione statica – ricopiare interamente lo spazio di indirizzamento di un programma da memoria secondaria a RAM all’inizio dell’esecuzione – abbiamo già visto un esempio : Ampiezza. RAM - 1 RAM vuota Spazio programma 2 Una possibile organizzazione della RAM con più programmi attivi contemporaneamente 0 ING CIRO RICCIO Spazio programma 1 Sistema Operativo Lezioni sui SISTEMI OPERATIVI Area riservata, non accessibile in modalità utente 53

Il gestore della memoria (3) • Problemi della gestione statica – non posso girare programmi con spazio di indirizzamento grande della RAM ! • Attualmente ogni programma usa almeno 4 GB di spazio di indirizzamento, con RAM assai più piccole… • Soluzione : gestione dinamica (a pagine) – ad ogni istante carico in RAM solo i pezzi che mi servono per l’esecuzione corrente ING CIRO RICCIO Lezioni sui SISTEMI OPERATIVI 54

Il gestore della memoria (4) • Paginazione – lo spazio di indirizzamento di ogni processo è diviso in ‘fette’ (pagine) tutte della stassa 0 ampiezza 1 0 1 2 3 4. . Pagina : ‘fetta’ dello spazio di indirizzamento (1 -4 K) Programma 2 0 1 2 3 4. . Programma 1 Programma 3 ING CIRO RICCIO Lezioni sui SISTEMI OPERATIVI 55

Il gestore della memoria (5) • Paginazione – ad ogni istante solo le pagine necessarie sono caricate in 0 memoria (località!) 1 0 1 2 3 4. . RAM vuota Programma 1 RAM vuota Sistema Operativo ING CIRO RICCIO Lezioni sui SISTEMI OPERATIVI Programma 2 0 1 2 3 4. . Programma 3 56

Gestione delle periferiche ING CIRO RICCIO Lezioni sui SISTEMI OPERATIVI 57

Driver e controller Ogni periferica è gestita da due entità cooperanti : • il controller : un dispositivo hardware che colloquia direttamente con la parte elettrico/meccanica della periferica • il driver : un programma software che fa parte del sistema operativo e che conosce le caratteristiche della periferica ed è capace di colloquiare con il controller ING CIRO RICCIO Lezioni sui SISTEMI OPERATIVI 58

Driver e controller (2) • Solitamente il driver non è sviluppato da chi costruisce il SO (es. Microsoft) ma da chi costruisce il dispositivo • Quando viene acquistata una nuova periferica il driver corrispondente deve essere inserito nel Sistema Operativo (installazione) – operazione rischiosa, perché se il nuovo driver è difettoso può rovinare il vostro sistema (il driver essendo nel SO ha accesso a tutta la macchina senza restrizioni!…. ) ING CIRO RICCIO Lezioni sui SISTEMI OPERATIVI 59

Driver e controller (3) • Quando si installa un nuovo driver bisogna fornirgli delle informazioni a basso livello permettergli di colloquiare correttamente con il resto del sistema (configurazione) – es: stabilire quali linee del bus utilizzare per inviare una interruzione. . . • Periferiche plug&play : quelle per cui la configurazione può essere fatta automaticamente dal sistema – sono generalmente tutte così nei PC odierni ING CIRO RICCIO Lezioni sui SISTEMI OPERATIVI 60

Il File system ING CIRO RICCIO Lezioni sui SISTEMI OPERATIVI 61

File System • È la parte del SO che – permette di memorizzare dati e programmi in modo persistente – permette di organizzare dati e programmi in modo da renderne agevole la localizzazione da parte dell’utente umano – può essere modificata per cancellare dati obsoleti, aggiornare l’organizzazione etc. . ING CIRO RICCIO Lezioni sui SISTEMI OPERATIVI 62

File System (2) • Le astrazioni fornite sono : – il file (o archivio) : una sequenza di byte che contiene dati o programmi rappresentati con una opportuna codifica binaria – il folder/directory (o cartella) : astrazione che permette di collezionare insieme più file e/o folder ING CIRO RICCIO Lezioni sui SISTEMI OPERATIVI 63

File System (3) • Esempio : una possibile organizzazione dei file relativi ai diversi corsi che insegno Folder : corsi Folder : inf_gen File: lucidi lez 1 ING CIRO RICCIO File: lucidi lez 2 File: compiti e voti Lezioni sui SISTEMI OPERATIVI Folder : sis_op 64

File System (4) • La struttura è gerarchica (ad albero) Folder : corsi Contenuto del folder ‘corsi’ Folder : inf_gen File: lucidi lez 1 ING CIRO RICCIO File: lucidi lez 2 Lezioni sui SISTEMI OPERATIVI Folder : sis_op File: compiti e voti 65

File System (5) • La struttura è gerarchica (ad albero) Folder : corsi Contenuti dei due folder inf_gen e sis_op Folder : inf_gen File: lucidi lez 1 ING CIRO RICCIO File: lucidi lez 2 Lezioni sui SISTEMI OPERATIVI Folder : sis_op File: compiti e voti 66

File • Come si crea un file – utilizzando una applicazione • editori di testi per creare file di testo secondo diversi formati (doc, html, text) es. Word • applicazioni per gestire grandi quantitì di dati persistenti (basi di dati) es. Access • fogli elettronici es. Excel – dando comandi diretti al SO • es. chiedendo di duplicare un file esistente (taglia e incolla …) via shell o interfaccia grafica ING CIRO RICCIO Lezioni sui SISTEMI OPERATIVI 67

File (2) • Nome di un file – ogni file ha un nome (es lez 1. doc, lez 2. ppt etc) – il nome deve essere unico nel folder che contiene il file – la parte dopo il punto (. ) si chiama ‘estensione’ lez 2. ppt estensione di solito l’estensione da informazione sul formato del file e/o sull’applicazione utilizzata per crearlo ING CIRO RICCIO Lezioni sui SISTEMI OPERATIVI 68

File (3) • Nome di un file (cont. ) – alcuni SO (come Windows) non mostrano normalmente l’estensione • lez 1. doc viene mostrato come ‘lez 1’ – tuttavia l’estensione è presente e serve al sistema per capire che tipo di file è e quale applicazione attivare quando desideriamo ‘leggerlo’ • es. un doppio click su un file lez 1 attiva automaticamente Word per visualizzarlo ING CIRO RICCIO Lezioni sui SISTEMI OPERATIVI 69

Folder • Anche i folder sono identificati univocamente da nomi – es inf_gen, corsi – non usano estensioni • contengono solo informazioni sui file/folder contenuti (il formato di queste dipende dal file system usato, e quindi dal SO) • non dobbiamo discriminare fra codifiche diverse ING CIRO RICCIO Lezioni sui SISTEMI OPERATIVI 70

Folder (2) • Per creare un folder basta invocare una opportuna funzione del SO – es. scegliere una opportuna opzione (new folder, nuova cartella) in un menu dell’interfaccia grafica • Per cancellare file/folder basta invocare una opportuna funzione del SO – es. trascinarli con il mouse fino al cestino • I file/folder possono essere spostati da un folder all’altro ING CIRO RICCIO Lezioni sui SISTEMI OPERATIVI 71

Sicurezza • Come evitare che i nostri file siano letti da altri utenti che hanno accesso al sistema? – Assegnare ad ogni utente : Account (nome unico identificativo) e password (segreta, abbastanza complessa!) – Ogni file appartiene ad un utente – Il proprietario può specificare se un file può essere letto o scritto anche da altri – Il file system al momento dell’accesso controlla che l’operazione sia effettivamente consentita ING CIRO RICCIO Lezioni sui SISTEMI OPERATIVI 72

Sicurezza (2) • Il superutente (root, administrator) – E’ l’account dell’amministratore del sistema – Può accedere in maniera non ristretta dappertutto – I file del sistema operativo sono generalmente dell’utente root e non sono accessibili da nessun altro utente – …… ovviamente il superutente è oggetto di numerosi tentativi di violazione • termini come attack, hacker si riferiscono a questo ING CIRO RICCIO Lezioni sui SISTEMI OPERATIVI 73

Sicurezza (3) • I vecchi sistemi Windows (3. 1, 95, 98) non avevano alcun meccanismo di protezione – tutto gira in stato kernel – da cui la facilità di danneggiare il sistema operativo o i file utente (es. con virus) – molto pericoloso in connessioni Internet non sporadiche • Windows NT, 2000, XP sono protetti – è necessario però creare utenti non privilegiati • Sistemi Unix/Linux protetti fino dagli anni 70 ING CIRO RICCIO Lezioni sui SISTEMI OPERATIVI 74