Sistemi Informativi di Rete

1. Sistemi Informativi di Rete AA 2000-01 (II) L’architettura di un calcolatore

2. L’architettura di un calcolatore I/O Input Output Output Monitor tastiera Stampante HD

3. La CPU Contiene gli elementi circuitali che regolano il funzionamento dell’elaboratore: • L’unità di controllo e’ responsabile della decodifica e dell’esecuzione delle istruzioni. E' la parte che "dirige" l'esecuzione di tutte le altre parti. • L’orologio di sistema (clock) permette di sincronizzare le operazioni temporizzando il funzionamento del computer. • L’unità aritmetico-logica (ALU) realizza le operazioni aritmetiche e logiche eventualmente richieste per l’esecuzione dell’istruzione. E’ priva di facoltà di scelta. • I registri sono piccole memorie velocemente accessibili, utilizzate per memorizzare risultati parziali o informazioni necessarie al controllo. L’insieme dei valori contenuti nell'insieme di tutti i registri in un dato istante della computazione viene chiamato contesto.

4. I registri piu’ importanti • L’accumulatore (uno o due) contengono gli operandi e i risultati delle operazioni della ALU • Il registro dati E’ lungo come una parola di memoria ed è utilizzato, nella lettura e scrittura da essa o da e per le periferiche, come una sorta di “deposito” dell’informazione. A questo registro accede il bus dati. • Il registro indirizzi Serve ad indirizzare la memoria. Ciascuna cella di memoria può essere indirizzata: capacità dell’elaboratore di selezionare una particolare cella di memoria. Chiamiamo parola ogni elemento di memoria indirizzabile. Il compilatore assegna ad ogni operando in memoria un indirizzo. • Il registro di istruzione corrente Contiene, istante per istante, l’istruzione che risulta in esecuzione da parte dell’elaboratore. La dimensione del registro istruzione è (generalmente) quella del bus dati.

5. Formato delle istruzioni Costituito da tre campi: • il codice operativo (obbligatorio) specifica l’operazione da eseguire, • l’operando (facoltativo) è diviso in indirizzi degli oggetti, cioè le variabili, da utilizzare • la modalita' di indirizzamento (vedremo dopo) • FORMATO ISTRUZIONE: Modo di ind. Operandi Cod. operativo

6. Il bus di sistema • Insieme di connettori (conduttori elettrici) che trasportano bit di informazioni collegando fra di loro l’unità di elaborazione, la memoria e le varie interfaccie di ingresso/uscita. • I trasferimenti sono gestiti dalla CPU (modalita’ master/slave) e si chiamano cicli del bus, che con la sua capacità ne determina la velocità. • I trasferimenti sono di lettura (CPU = destinazione) o di scrittura (la CPU = sorgente). • I comandi per abilitare il bus: • WM (=1 abilita un operazione di scrittura in memoria) • RM (=1 abilita un’operazione di lettura da memoria) • WO (=1 abilita un’operazione di scrittura su porta d’uscita) • RI (=1 abilita un’operazione di lettura da porta d’ingresso)

7. Componenti del bus di sistema • BUS DATI: trasferisce dati da master a slave e viceversa • BUS INDIRIZZI: trasferisce indirizzi, ad esempio l’indirizzo di un dato dal registro indirizzi alla memoria, per accedere al dato stesso • BUS DI CONTROLLO: • da master a slave: codice dell’istruzione da eseguire (es. lettura da disco); • da slave a master: info sul successo dell’operazione

8. Cicli di bus: esempi • Operazione di lettura da memoria: • la CPU carica indirizzo della parola di memoria nel registro indirizzi e lo trasmette alla memoria via bus indirizzi • la CPU invia il comando di RM sul bus di controllo • la memoria trasmette sul bus dati il contenuto della parola verso il registro dati • la memoria segnala al processore sul bus di controllo che l’operazione e’ stata completata con successo: il dato si trova nel registro dati • Operazione di scrittura in memoria: • la CPU carica indirizzo della parola di memoria dove si vuole scrivere nel registro indirizzi e lo trasmette alla memoria via bus indirizzi • la CPU carica nel registro dati la parola da scrivere in memoria • la CPU invia il comando di WM sul bus di controllo • la CPU trasmette sul bus dati il contenuto del registro dati verso l’indirizzo di memoria segnalato. • la memoria segnala al processore sul bus di controllo che l’operazione e’ stata completata con successo: il dato si trova nella parola di memoria destinazione

9. La memoria centrale • accoglie il “materiale di lavoro”, e cioe' dati e programmi • di dimensioni ridotte (dell’ordine di Megabyte) • tempi di accesso: dell’ordine delle decine di nanosecondi (circa 1 milione di volte piu’ veloce delle memorie di massa) • prima di poter essere elaborata, l’informazione deve essere acquisita dalla memoria centrale e caricata in uno dei registri della CPU • insieme ordinato di parole (celle) che contengono istruzioni e dati • una parola = n elementi di memoria binari (8, 16, 32, 64 bit) • la posizione di ogni parola è identificata da un indirizzo • la capacità di indirizzamento in memoria è definita dalle dimensioni del bus indirizzi e del registro indirizzi • ad accesso diretto (random)

10. Parti della memoria centrale • La memoria RAM : e’ realizzata mediante circuiti a transistori, è modificabile, cioè leggibile e scrivibile, ma è volatile e quindi deve essere continuamente alimentata per mantenere le informazioni. All’accensione il suo contenuto e’ una sequenza casuale di 0 e 1. • La memoria ROM: E’ solo leggibile: le informazioni sono di solito scritte in modo permanente dal costruttore. • viene quindi caricata al momento della produzione del computer • vi si accede ogni qualvolta questo viene acceso • contiene il bootstrap, un programma contenente le prime istruzioni che la CPU deve compiere

11. Le interfacce verso le periferiche • Dispositivi elettromeccanici • Costituite da: • porte di I/O: registri scrivibili e/o leggibili dalle periferiche: registro dati periferica, registro comandi periferica (RCP), registro stato periferica • circuiti ausiliari

12. Le memorie di massa • Informazione memorizzata su supporto magnetico (o ottico) • Memoria permanente: le informazioni sono raggruppate in file gestiti dal sistema operativo • Dischi rigidi: Tempi di accesso dell’ordine delle decine di millisecondi; floppy disk: dell’ordine delle centinaia di millisecondi • Nastri: Per memorizzare informazioni “storiche” (back-up) • CD-ROM: sola lettura

13. Struttura dei dischi rigidi -testine -superfici -tracce -cilindri -settori

14. Altri registri (1) • Il contatore di programma (PC, Program Counter) Contiene sempre l’indirizzo della prossima istruzione del programma (SALTI!!!). • Lo Stack Pointer (puntatore alla pila) Serve per gestire una porzione della memoria di lavoro, chiamata stack (pila: modalità LIFO (Last in First Out)) e per gestire le interruzioni ed eseguire le chiamate a sottoprogramma. • Il registro interruzioni(RINT) Contiene informazioni relative allo stato di funzionamento delle periferiche e ad altre possibili cause di interruzione. • L’accumulatore Serve per conservare il risultato di operazioni: in generale il suo contenuto passera' al registro dati e verra' caricato in memoria.

15. Altri registri (2) • Il registro di stato riporta in alcuni suoi bit (FLAG) indicazioni relative al risultato delle operazioni svolte dalla ALU. • il bit di carry (indica la presenza di un riporto); • il bit zero (indica la presenza di un valore nullo); • il bit di segno (riporta il segno del risultato dell'operazione aritmetica appena svolta); • il bit di overflow (rileva la presenza o meno di un overflow) • L’uso del registro di stato è connesso ai salti condizionati. • I registri di lavoro • Il registro indice utilizzato nel caso di modalità di indirizzamento a registro indice. • I registri non referenziabili

16. Lo STACK Lo Stack Pointer (puntatore alla pila)serve per gestire una porzione della memoria di lavoro, chiamata stack (pila: modalità LIFO (Last in First Out)) e per gestire le interruzioni ed eseguire le chiamate a sottoprogramma. Comtiene l’indirizzo della prima parola di memoria da leggere nello stack 312 311 Stack pointer= 312 312 310 Operazione di inserimento: -incremento SP -scrittura in parola indirizzata da SP Operazione di estrazione: -lettura da parola indirizzata da SP -decremento SP ... 303

17. Esempio di istruzioni in assembler Codice binario Codice operativo simbolico 0000 LOADA 0001 LOADB 0010 STOREA 0011 STOREB 0110 ADD 0111 DIF 1010 JMP 1011 JMPZ 1100 NOP 1101 HALT 0100 READ 0101 WRITE

18. Piccolo esempio di programma assembler Cella di mem. Cod. Oper. Operando 0 READ 8 1 READ 9 2 LOADA 8 3 LOADB 9 4 MUL 5 STOREA 8 6 WRITE 8 7 HALT 8 (INT) 9 (INT)

19. Modo di ind. Operandi Cod. operativo Formato delle istruzioni Costituito da tre campi: • il codice operativo (obbligatorio) specifica l’operazione da eseguire, • l’operando (facoltativo) è diviso in indirizzi degli oggetti, cioè le variabili, da utilizzare • la modalita' di indirizzamento (vedremo dopo) • FORMATO ISTRUZIONE: • Classi di istruzioni (tipi di Cod. operativi): • trasferimento dati da e a memoria • trasferimento dati da e a periferica • operazioni aritmetico-logiche • modifiche del flusso di esecuzione • altre istruzioni (ausiliarie)

20. Fasi del ciclo di CPU • Fetch: • PC contiene indirizzo prossima istruzione • acquisizione prossima istruzione da memoria • incremento PC • Decodifica: interpretazione codice operativo • Esecuzione: attivazione esecuzione pertinente all’operazione. Es: operazioni AL su operandi, o operazione di salto (modifica PC) • Temporizzazione scandita dal clock: ad ogni “tick” un passo elementare

21. MODALITA’ DI INDIRIZZAMENTO (1) • Indirizzamento diretto: Il Campo Operando contiene l’indirizzo dell’operando stesso: è necessario un solo accesso a memoria per accedere all’operando: LOADA X  richiesta di caricamento nell’accumulatore del contenuto della locazione di memoria chiamata X • Indirizzamento indiretto: Il Campo Operando contiene l’indirizzo di memoria di una parola che contiene l’indirizzo dell’operando: sono necessari due accessi a memoria per accedere all’operando: LOADA @X  richiesta di caricamento nell’accumulatore del contenuto dell’indirizzo contenuto nella locazione di memoria chiamata X

22. MODALITA’ DI INDIRIZZAMENTO (2) • Indirizzamento relativo a registro indice: Il Campo Operando contiene un indirizzo di memoria che viene sommato al contenuto del registro indice (I) per ottenere l’indirizzo dell’operando: serve per implementare gli array LOADA X(I)  richiesta di caricamento nell’accumulatore del contenuto della locazione di memoria X+I • Indirizzamento immediato: Il Campo Operando contiene il valoredell’operando (espresso in modo esplicito oppure simbolico). LOADA #X  richiesta di caricamento nell’accumulatore del valore X e non del valore contenuto nella locazione di memoria chiamata X.

23. Il Sistema Operativo • programma di grandi dimensioni e complessità che permette all’utente di interagire col sistema • sviluppo di un S.O.: centinaia di anni-uomo • poca teoria, solo in alcune aree: • perché prima sviluppo tecnologico, poi teorizzazione • perché aspetti non di calcolo ma di ottimizzazione, gestione di interazione, gestione di malfunzionamenti etc. • perché problema intrinsecamnete complesso e interdisciplinare • complessità estrema: studio per livelli di macchine astratte per ragionare a diversi livelli di astrazione

24. Funzioni di un S.O. • Relazione Macchina/Utente: • comandi espliciti, da tastiera • comandi interni, da programma • Funzioni: • Gestione lavori • Supporto per la programmazione • Meccanismi di I/O • Gestione archivi (file)

25. Gestione lavori • Riconoscimento degli utenti:login, password,… • Assegnazione risorse:periferiche, memoria di massa.. • Accounting (costo di esecuzione dei programmi) • Attivazione sequenze di azioni: ad esempio • caricamento file XXX.C in memoria • caricamento compilatore c in memoria • attivazione compilazione e gestione file oggetto XXX.obj • ripetiz. questi passi per ogni sottoprogramma • attivazione linker e gestione file XXX.exe • attivazione loader • assegnazione risorse al programma (memoria e CPU) • terminazione lavoro e rilascio risorse

26. Supporto per la programmazione Messa a disposizione di: • Editors:normali, WordProcessors, guidati dalla sintassi • Debuggers:breakpoints, step-by-step, dump registri • Librerie: funzioni matematiche, funzioni grafiche, etc. • Programmi per la gestione di grandi progetti: cataloghi, versioni etc.

27. Meccanismi di I/O Il S.O. permette di vedere le periferiche: • più numerose: maschera conflitti su periferiche condivise • più potenti: primitive di alto livello • più affidabili: gestione malfunzionamenti

28. Gestione archivi (file) • Accesso ai file in modo logico: meccanismo nome /indirizzo • Privatezza: gestione autorizzazioni • Affidabilità: integrità dei files in caso di malfunzionamento

29. Il Modello a Buccia di Cipolla di un S. O. Nucleo (gestione dei processi) Interprete comandi Gestione della memoria centrale HW Gestione periferiche Programmi di utilita’ File system

30. CLASSIFICAZIONE DEI SISTEMI OPERATIVI • in base all’utente: che tipo di servizi offre • in base all’organizzazione interna: come è progettato

31. In base all’utente Sistemi dedicati:usati da un solo utente: nessuna gestione della concorrenza Sistemi a lotti (o BATCH) :l’insieme dei lavori da eseguire viene organizzato in sequenza gestita da schede di controllo, ad esempio sul nastro. Operaz. di I/O fatte da file. Sistemi interattivi: il supervisore gestisce l’interazione “quasi parallela” di uno o più utenti col sistema. Quando c’è più di un utente,cerca di eliminare i tempi di IDLE servendo più utenti contemporaneamente. Sistemi in tempo realeeseguono le operazioni in un tempo piccolo rispetto alle costanti di tempo proprie all’applicazione. Sistemi transazionaliCollaborano strettamente con una base di dati. Una transazione è un’azione che, se iniziata, deve essere necessariamente portata a termine.

32. In base all’organizzazione interna Sistemi uniprogrammati:in un certo istante può risiedere in memoria solo un programma utente Sistemi multiprogrammati:in un certo istante possono risiedere in memoria programmi utente diversi. Grado di multiprogrammazione: n. max di programmi utente che possono risiedere in memoria (...quasi-parallelismo) Sistemi time-sharing :tecnica di assegnazione di una risorsa basata su quanti di tempo. Sistemi interattivi: il supervisore gestisce l’interazione “quasi parallela” di uno o più utenti col sistema. Quando c’è più di un utente,cerca di eliminare i tempi di IDLE servendo più utenti contemporaneamente. Sistemi per uso speciale: controllo di processi, gestione di grandi apparecchiature (buona gestione dei malfunzionamenti, programmi compilati su “macchina ospite”)

33. Il Nucleo o Supervisore (La gestione dei processi)

34. GESTIONE DEI PROCESSI • Il termine processo fa riferimento a un programma durante la sua esecuzione; • Un processo è un oggetto dinamico che evolve nel tempo, contrapposto a un programma che è un oggetto statico ed invariante nel tempo. • Nel contesto dei sistemi operativi, l’unità di elaborazione che esegue i processi è detto processore. • In un sistema a processi, uno solo dei processi può essere in esecuzione in un certo istante, cioè eseguito dal processore. • Gli altri processi sono rispettivamente pronti oppure in attesa. I primi possono andare in esecuzione immediatamente, i secondi devono attendere il verificarsi di un evento esterno per passare in stato di pronto.

35. Stati di un processo Attivo Pronto In esecuzione In attesa

36. Le interruzioni • Una interruzione e’ associata a un avvenimento che si produce nella macchina stessa o al di fuori di essa. • In seguito a una interruzione,il programma in corso viene sospeso e il controllo passa a un altro programma: la routine di gestione dell’interrupt: • Salvataggio del program counter nello stack • Assegnazione al PC dell’indirizzo della routine di gestione dell’interrupt • Esecuzione della routine di gestione dell’interrupt: • salvataggio del contesto (nello stack) • riconoscimento del motivo dell’interruzione • gestione dell’interruzione • ripristino del contesto del programma interrotto • ritorno da interruzione • Nei momenti critici le interruzioni vanno disabilitate!!!!

37. Le interruzioni • Ingresso/Uscita • Orologio • Malfunzionamento HW • Caduta di tensione (priorità elevatissima) • Errori SW (tentativo di accesso a posiz. di memoria privilegiata, tentativo di div. per 0…) • Trappole (dette anche SW interrupt: es. page fault...) • Chiamate a supervisore(dette anche interruzioni interne o sincrone)

38. Schema di interpretazione di un’istruzione di un programma • Leggere da memoria la prossima istruzione (FETCH) • Comprendere il significato del codice operativo • Eseguire le operazioni elementari che producono l’effetto desiderato • Determinare la prox istruzione da eseguire In realtàsubito prima del FETCH della prossima istruzione occorre controllare il flag di interrupt

39. Operazioni di input/output Si dividono in due sottocasi: • L’informazione da parte della unità di input (o di output) del suo stato di pronto; • La richiesta da parte del programma di dati di input (o la segnalazione di voler rilasciare dei dati in output): interruzione interna o sincrona o anche chiamata a supervisore (SVC).

40. RELAZIONI TRA PROCESSI • I processi devono essere sincronizzati, cioè le loro attività devono essere coordinate. • Il coordinamento più semplice è quello sequenziale: un processo termina invocando l’attivazione di un altro processo. • Sincronizzazioni più complesse: • cooperazione = interazione desiderata e prevista • competizione = conflitto tra due programmi per l’assegnazione di una stessa risorsa. • Due modi per sincronizzarsi: • la condivisione di variabili, in modo da creare un’area di memoria comune da utilizzare a turno; • lo scambio di messaggi attraverso la condivisione di un canale.

41. Chiamata a supervisore • Si verifica anche quando due programmi devono interagire tra loro. • In seguito ad un interruzione interna il processore passa dall’esecuzione di un processo utente all’esecuzione del nucleo (un processo di sistema operativo).

42. Priorità • è necessario stabilire delle priorità tra i vari tipi di interruzioni in modo da evitare problemi nel caso due di esse si sovrapponessero; • interruzioni ad alta priorità: es. i cali di tensione • interruzioni a bassa priorità: es. di I/O • le interruzioni a priorità più bassa vengono disabilitate (mascherate) durante la gestione di quelle a priorità più alta.

43. POLITICHE DI GESTIONE DELL’UNITA’ DI ELABORAZIONE Un processo attivo può essere arrestato di autorità dal nucleo per seguire ciascun programma utente entro un tempo approssimativamente proporzionale alla complessità del programma, senza creare ingiustizie.

44. Parametri per la valutazione della politica migliore • attività della CPU: percentuale di tempo in cui è attiva rispetto al funzionamento del sistema. Suddivisa in : • tempo dedicato ai programmi utente (USER MODE); • tempo utilizzato dal sistema operativo (SUPERVISOR MODE). • livello di multi-programmazione • tempo di TURNAROUND • tempo di elaborazione • tempo di risposta (tipico dei sistemi interattivi) • produttività (THROUGHPUT)

45. Politiche di gestione della CPU • Rotazione (o round-robin) dei processi:Il processore viene assegnato a un processo per un quanto di tempo; quando il quanto di tempo termina, il processo in esecuzione viene interrotto e ritorna fra i processi pronti, alla fine di una coda di processi pronti gestita dal nucleo, che assegna il processore al primo processo in coda. • Metodo First Come First Served: non tiene in considerazione i tempi di esecuzione dei programmi, ma solo l’ordine in cui i programmi sono arrivati. • Metodo delle priorità statiche:semplice schema a priorità che assegna priorità elevata ai programmi interattivi e priorità bassa ai lavori di batch. Ma non è sempre possibile conoscere anticipatamente i tempi di lavoro dei singoli programmi. • Altri metodi più complessi...

46. La gestione della memoria centrale(memoria virtuale) • Una parte della memoria è dedicata al sistema operativo (Supervisor mode), ed il resto ai processi utente (User mode). • Problemi da risolvere: • definire delle tecniche per suddividere la memoria tra i vari processi • assegnare una o più porzioni a ciascun processo, attuando la migliore politica di gestione nel tempo • rilocare i programmi, cioè trasformare gli indirizzi logici, presenti nei programmi, in indirizzi fisici, corrispondenti alle locazioni di memoria ove i programmi sono stati caricati • Principali meccanismi di suddivisione della memoria: • segmentazione • paginazione

47. Rilocazione Gli indirizzi di un programma eseguibile possono presentarsi in due modi: • in formato assoluto, cioè calcolati a partire da una specifica cella di memoria; • in formato rilocabile, cioè calcolati come se il programma dovesse essere caricato in memoria a partire dalla cella zero.

48. Segmentazione • I segmenti sono blocchi logici di codice di dimensioni diverse. • Ad ogni programma vengono associati due segmenti: il CODE SEGMENT ed il DATA SEGMENT. • Indirizzo di una istruzione o di un dato = indirizzo del segmento + indirizzo rilocabile • La rilocazione puo’ essere statica (operata del loader) o dinamica (operata dal sistema di RTS coordinato col sistema operativo) • Quando un processo viene mandato in esecuzione dal nucleo, il corrispondente programma deve risiedere in memoria; se il programma non è presente, si verifica una situazione detta di Segment Fault (SW interrupt, trappola) in cui il processo si deve sospendere in attesa che il programma sia caricato dal gestore della memoria (nel caso di rilocazione dinamica).

49. Paginazione • Una pagina è una zona contigua di memoria, di grandezza fissa pari a 2pcelle di memoria • In memoria utente sono contenute 2k pagine • L’indirizzo di una cella di memoria si indica come coppia (n. di pagina, indirizzo nella pagina) • Le pagine vengono caricate e scaricate dalla memoria centrale secondo l’occorrenza • Quando un processo è in esecuzione il corrispondente pezzo di programma deve risiedere in memoria; se il programma non è presente, si verifica una situazione detta di Page Fault (SW interrupt, trappola) in cui il processo si deve sospendere in attesa che la pagina sia caricata dal gestore della memoria.

50. La Memory Management Unit • Conversione tra indirizzi logici e indirizzi fisici operata da un dispositivo HW chiamato MMU (Memory Management Unit). • MMU dispone di una tabella delle pagine che le consente di conoscere la posizione e il relativo indirizzo di ogni pagina, che questa si trovi in memoria centrale o in memoria di massa. • dopo aver riconosciuto un indirizzo ed essere andata a leggere la pagina corrispondente, MMU opera, a seconda delle circostanze, sostanzialmente in tre modi: • se l’istruzione non è corretta manda un messaggio di errore; • se l’istruzione è corretta e la pagina cercata è presente in memoria centrale, esegue le relative istruzioni; • se l’istruzione è corretta, ma la pagina cercata non è presente in memoria centrale, manda un messaggio di Page Fault e carica in memoria centrale la pagina.