Sistemi Operativi

Sistemi Operativi Marco D. Santambrogio – marco.santambrogio@polimi.it Ver. aggiornata al 13 Agosto 2014

Agenda • Intro e un po’ di storia • Qualche curiosità • Accenni sul funzionamento di un SO

Cosa vediamo adesso… • Intro e un po’ di storia • Qualche curiosità • Accenni sul funzionamento di un SO

Le generazioni • 40’: Prima generazione • E’ in realtà difficile parlare di SO • 50’: Seconda generazione • La General Motors Research Laboratories crea il 1mo SO per l’IBM 701 • 60’: Terza generazione • Multiprogramming, più programmi simultaneamente nella memoria centrale • Time-sharing • 70’-90’: Quarta generazione • Circuiti LSI (Large Scale Integration) • Nascita dei Personal Computer • 00’: Quinta generazione • Sistemi multicore

UNIX • 1969: La storia di UNIX inizia nei laboratori Bell della AT&T • 1973: La svolta, UNIX viene scritto in C. • 1975: Viene scritta la Versione 6 di UNIX • Divenne largamente utilizzata anche fuori dai laboratori Bell • Il problema/il vantaggio: • Essendo allora UNIX libero, ogni venditore di macchine si faceva una versione proprietaria esclusiva, un po' diversa ed spesso incompatibile con le versioni degli altri venditori

GNU Operating System • 1984: Nasce il progetto GNU • GNU’s Not Unix • GNU è un sistema operativo tipo Unix distribuito come SW libero • Il Kernel di GNU è Hurd • Kernel in continuo sviluppo • GNU/Linux • Nota: il kernel (nucleo) è un programma che si occupa di dare le funzionalità di base per il funzionamento di un computer

Linux • 1991: Nascita di Linux • Linus Torvalds • Si scontra in un newsgroup Usenet con il professor Andrew Tanenbaum • Tanenbaum è l’invetore di Minix • Divieto di modifcare il codice per fini non educational e sotto approvazione dell’autore • Kernel monolitici Vs microkernel

microkernel Vs kernel modulare • microkernel • kernel minimale con “lo stretto indispensabile” ad utilizzare l’hardware • si scrivono tutti i servizi (chiamate di sistema) in user-space • comunicano direttamente con il kernel minimale • le altre applicazioni in user-space possono decidere di utilizzare le chiamate di sistema o riferirsi direttamente al microkernel. • kernel monolitico • Tutto quanto necessario ad usare il sistema e a fornirne un utilizzo ai programmi che vi girano è programmato in un unico programma (monolitico) che gira in kernel-space

Linux e la sua comunità • I LUG: Linux User Group • Associazioni senza fine di lucro • Diffondere l’uso del SW Libero • Diffondere l’uso dei SO basati sul kernel di Linux • Il Linux DAY • Evento per la promozione del SW libero e dei sistemi basati su Linux

shell di DOS

DOS • CP/M • Control Program for Microcomputers • Gary Kildall della Digital Research • 1980: 86-DOS/QDOS • Quick and Dirty Operating System • Tim Paterson della Seattle Computer Products • 1981: • Luglio: Microsoft compra per$50K(?) l’86-DOS • Agosto: Microsoft Disk Operating System • MS-DOS 1.0

Windows • Nov. 1983: Annuncio di Windows • Nov. 1955: Windows 1.0 rilasciato • 1998: Windows 98 • 2000: Windows 2000 • 2001: Windows XP • 2007: Windows Vista • 2009: Windows 7 • kernel ibrido • microkernel fatto comunicare tramite messaggi con i restanti servizi, tutto in kernel-space

Mac OS e Mac OS X • 1984: Mac OS • Macintosh Operating System • Primo OS ad usare con successo una GUI • ‘86-’95: NextSTEP (’98 Rhapsody) • kernel Mach (microkernel) • Objective-C • Gestione orientata agli oggetti • Diventerà Cocoa • Mac OS X • Rhapsody + Mac OS

Calcolo parallelo Sun Intel N Cores 1000 cores #Cores 64 cores 32 Larrabee Il mondo dell’informatica è pronto per una rivoluzione 8-24 cores 4 Quad core 2 Dual core 1 Time 2005 2006 2007 2014

Sistemi Operativi per multicore • Barrelfish Operating System • @ ETH • http://www.barrelfish.org/ • K42/Tornado OS • @ IBM/Uniersity of Toronto • http://www.eecg.toronto.edu/~tornado/ • fos: Factored Operating System • @ MIT • groups.csail.mit.edu/carbon/fos • Tessellation OS • @ Berkeley • http://tessellation.cs.berkeley.edu/

In Italia…Alessandro Rubini • Co-autore di Linux Device Drivers • Pagina personale • http://ar.linux.it/ • Intervista: Il kernel? Non è vecchio, solo complicato • http://linea-dombra.blogspot.com/2010/04/il-kernel-non-e-vecchio-solo-complicato.html

… il Politecnico di Milano • RTAI: RealTime Application Interface • Patch Real Time per Linux • DIAPM: Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale • https://www.rtai.org/ • AcOS: AutonomicOperating System for AdaptiveComputing • Patch Self-Aware per Linux e FreeBSD • DEI: Dipartimento di Elettronica e Informazione • www.changegrp.org/acos • morphone.OS • Patch Self-Aware per Android • DEI: Dipartimento di Elettronica e Informazione • www.changegrp.org/morphone

Ma prima… PAUSA!!!... 10’

Il sistema Operativo • Il sistema operativo (SO) è uno strato software che nasconde agli utenti i dettagli dell’architettura hardware del calcolatore • Fornisce diverse funzionalità ad alto livello che facilitano l’accesso alle risorse del calcolatore • Supporta l’esecuzione dei programmi applicativi definendo una macchina virtuale, cioè un modello ideale del calcolatore, sollevando il software applicativo dal compito di gestire i limiti delle risorse disponibili

Il SO e la macchina reale RAM A B C D CPU A, B, C, D Periferiche A, B, C, D utilizzo a rotazione suddivisione in blocchi utilizzo a rotazione bus

Il SO e le macchine virtuali CPU B RAM B HD B CPU C RAM C HD C bus proc. C proc. B Rete B I/O B Rete C I/O C OD B OD C CPU A RAM A HD A CPU D RAM D HD D proc. D proc. A Rete A I/O A Rete D I/O D OD A OD D • Il sistema operativo può gestire più processi simultaneamente • Rende quindi visibile ad ogni processo una macchina virtuale ad esso interamente dedicata e quindi con risorse proprie • nella figura OD = other devices (altri dispositivi)

Il SO è tipicamente organizzato a strati Ciascun strato costituisce una macchina virtuale che gestisce una risorsa del calcolatore Le principali funzionalità offerte sono: La gestione dei processi La gestione della memoria La gestione delle periferiche (tra cui la rete) La gestione del file system La gestione dell’interfaccia utente Le prime tre funzionalità sono indispensabili per il funzionamento del sistema e pertanto costituiscono il nucleo del SO (Kernel) Architettura del SO Kernel

Tipi di Sistema Operativo • Esistono diversi tipi di sistema operativo, ma in generale si possono dividere in: • Monoutente e monoprogrammato • Esecuzione un solo programma applicativo alla volta • Viene utilizzato da un solo utente per volta • Esempio: DOS • Monoutente e multiprogrammato (multitasking) • Consente di eseguire contemporaneamente più programmi applicativi • Esempio: Windows 95 • Multiutente • Consente l’utilizzo contemporaneo da parte di più utenti • E’ inerentemente multiprogrammato • Esempio: Linux

Gestione dell’interfaccia utente • Il SO fornisce un interprete dei comandi inseriti dall’utente attraverso la tastiera o il mouse • L’interfaccia utente può essere • Testuale (esempio: DOS) • Grafica (esempio: Windows) • Consente l’inserimento di diversi comandi: • Esecuzione di programmi applicativi • Operazioni sulle periferiche • Configurazione dei servizi del SO • Operazioni sul file system (creazione, rimozione, copia, ricerca, ecc.)

Gestione del file system • Il SO si occupa di gestire i file sulla memoria di massa: • Creare un file • Dargli un nome • Collocarlo in un opportuno spazio nella memoria di massa • Accedervi in lettura e scrittura • Gestione dei file indipendente dalle caratteristiche fisiche della memoria di massa • I file vengono inclusi all’interno di directory (o cartelle, o cataloghi) • In genere, le directory sono organizzate ad albero

La struttura ad albero

Organizzazione dei file • A ciascun utente è normalmente associata una directory specifica, detta home directory • Il livello di protezione di un file indica quali operazioni possono essere eseguite da ciascun utente • Ciascun file ha un pathname (o nome completo) che include l’intero cammino dalla radice dell’albero • Il contesto di un utente all’interno del file system è la directory in cui correntemente si trova

Gestione delle periferiche • Sono meccanismi software a cui è affidato il compito di trasferire dati da e verso le periferiche • Consentono ai programmi applicativi di leggere o scrivere i dati con primitive di alto livello che nascondono la struttura fisica delle periferiche • e.g., nel sistema Unix le periferiche sono viste come file speciali

Gestione dei processi • Il SO multiprogrammato e multiutente si occupa di gestire l’esecuzione concorrente di più programmi utente • La CPU del calcolatore (o le CPU nei sistemi multiprocessore) deve essere distribuita in maniera opportuna fra i programmi da eseguire • Ogni programma eseguito ha a disposizione una macchina virtuale realizzata dal SO che ne consente l’esecuzione come se la CPU del calcolatore fosse interamente dedicata a esso

Che cosa è un processo per il SO? • Processo ≠ programma ! • Processo = esecuzione di un programma, composto da: • codice eseguibile (il programma stesso) • dati • Lo stesso programma può essere associato a più processi: • Un programma può essere scomposto in varie parti e ognuna di esse può essere associata a un diverso processo • Lo stesso programma può essere associato a diversi processi quando esso viene eseguito più volte, anche simultaneamente

Processi e strutture dati • Ad un processo sono associate le seguenti strutture dati: • Uno o più segmenti di codice • Uno o più segmenti di memoria dati • I descrittori di eventuali risorse in uso (file, finestre, periferiche, ecc.) • Uno o più thread • Un processo consta di tre zone di memoria chiamate regioni: dati, codice e stack

Ambiente di esecuzione • L’ambiente di esecuzione di una funzione (variabili e parametri formali) viene creato al momento della chiamata e rilasciato quando la funzione termina • In una sequenza di chiamate, l’ultima chiamata è la prima a terminare • La zona di memoria di lavoro che contiene l’ambiente di esecuzione di un sottoprogramma è gestito con la logica di una pila (stack) • L’ultimo elemento inserito nello stack è il primo ad essere estratto • Logica LIFO (Last In First Out)

Record di attivazione • Alla chiamata di una funzione • si alloca uno spazio di memoria (record di attivazione) in cima allo stack per contenere i parametri formali e le variabili locali • lo spazio viene rilasciato quando la funzione termina • Il record di attivazione contiene: • L’ambiente locale della funzione • L’indirizzo di ritorno al chiamante • Funzionamento: • Ad ogni attivazione viene allocato un record di attivazione • Al termine dell’attivazione il record viene rilasciato (l’area di memoria è riutilizzabile) • La dimensione del record di attivazione è già nota in fase di compilazione • Il numero di attivazioni della funzione non è noto • Il primo record di attivazione è destinato al main()

Lo stack • Nello stack, i record vengono allocati “uno sopra l’altro”; il primo record dello stack è relativo all’ultima funzione attivata e non ancora terminata • Lo stack cresce dal basso verso l’alto • Stack pointer: registro della CPU che contiene l’indirizzo della cima della pila • Una parte della RAM è destinata a contenere lo stack • Stack overflow: quando l’area della RAM destinata allo stack viene superata (troppi annidamenti di chiamate) SP 312 312 311 Operazione di inserimento: -incremento SP -scrittura in parola indirizzata da SP Operazione di estrazione: -lettura da parola indirizzata da SP -decremento SP 310 ... 303

Lo stato di un processo • Lo stato del processo può essere distinto fra stato interno e stato esterno. • Lo stato interno indica: • la prossima istruzione del programma che deve essere eseguita; • i valori delle variabili e dei registri utilizzati dal processo. • Lo stato esterno indica se il processo è: • in attesa di un evento, ad es. la lettura da disco o l’inserimento di dati da tastiera; • in esecuzione; • pronto per l’esecuzione, e quindi in attesa di accedere alla CPU.

Stato di un processo (1) Inizio esecuzione - Fine quanto di tempo- Interruzione esterna Primo processopronto Evento esterno atteso Interruzione interna Processo in esecuzione Processopronto Processo in attesa - Fine esecuzione- Abort per errore • In esecuzione: assegnato al processore ed eseguito da esso • Pronto: può andare in esecuzione, se il gestore dei processi lo decide • In attesa: attende il verificarsi di un evento esterno per andare in stato di pronto

Stato di un processo (2) Inizio esecuzione - Fine quanto di tempo- Interruzione esterna Primo processopronto P1 P2 Evento esterno atteso Interruzione interna Processo in esecuzione Processopronto Processo in attesa - Fine esecuzione- Abort per errore • I processi appena creati sono messi in stato di pronto • Il kernel decide quale processo pronto mettere in stato di esecuzione • Il kernel assegna il processore a un processo per un quanto di tempo • Coda dei processi pronti • Round-robin • Priorità dei processi

Stato di un processo (3) Inizio esecuzione - Fine quanto di tempo- Interruzione esterna Primo processopronto P1 P2 Evento esterno atteso Interruzione interna Processo in esecuzione Processopronto Processo in attesa - Fine esecuzione- Abort per errore • Il processo in esecuzione passa in stato di attesa se richiede operazioni di I/O (interruzione interna) • Corrisponde alla esecuzione dell’istruzione “chiamata supervisore”(SuperVisor Call, SVC)

Stato di un processo: cambio contesto Inizio esecuzione - Fine quanto di tempo- Interruzione esterna Primo processopronto P1 P2 Evento esterno atteso Interruzione interna Processo in esecuzione Processopronto Processo in attesa - Fine esecuzione- Abort per errore • Cambiamento di contesto: • Salvare il contesto di P1 nel suo descrittore di processo • Il processore è ora libero, un altro processo passerà in esecuzione

Stati di un processo (5) Inizio esecuzione - Fine quanto di tempo- Interruzione esterna Primo processopronto P1 P2 Evento esterno atteso Interruzione interna Processo in esecuzione Processopronto Processo in attesa - Fine esecuzione- Abort per errore • Quando l’operazione di I/O è finita viene generata una interruzione esterna • Il processo in esecuzione viene interrotto • Il kernel esegue il gestore delle interruzioni che esegue le azioni opportune • P1 può tornare pronto • Il kernel sceglie quale processo mandare in esecuzione

Stato di un processo: Preemption Inizio esecuzione - Fine quanto di tempo- Interruzione esterna Primo processopronto P1 P2 Evento esterno atteso Interruzione interna Processo in esecuzione Processopronto Processo in attesa - Fine esecuzione- Abort per errore • Preemption: quando il quanto di tempo è scaduto, il kernel interrompe il processo in esecuzione • Si cerca di garantire un uso equo della CPU a tutti i processi

Pausa

Gestione della memoria • La gestione concorrente di molti programmi applicativi comporta la presenza di molti programmi in memoria centrale • Il SO offre a ogni programma applicativo la visione di una memoria virtuale, che può avere dimensioni maggiori di quella fisica • Per gestire la memoria virtuale il SO dispone di diversi meccanismi: • Rilocazione • Paginazione • Segmentazione

Il SO e la gestione della memoria • E’ un modello lineare • La memoria è una sequenza di celle numerate da 0 fino a un valore massimo M • Il numero che identifica ogni cella è detto indirizzo • La dimensione della cella dipende dal tipo di calcolatore (per noi sarà di 8 bit, ossia un byte) MEMORIA 0 1 2 M

Spazio di indirizzamento • Lo spazio di indirizzamento è il numero massimo di indirizzi possibili della memoria • Dipende dalla lunghezza in bit degli indirizzi • Se gli indirizzi sono lunghi N bit, lo spazio di indirizzamento è di 2N celle • Tutte le celle devono essere indirizzabili (cioè devono avere un indirizzo), quindi • Dimensione memoria  Spazio indirizzamento • Le dimensioni della memoria sono generalmente espresse in: • KB (Kilobyte) = 210 byte • MB (Megabyte) = 220 byte • GB (Gigabyte) = 230 byte

Memoria virtuale vs. fisica • La memoria virtuale e quella fisica non coincidono per i seguenti motivi: • nella memoria fisica risiedono contemporaneamente il SO e i diversi processi • conviene mantenere nella memoria fisica una sola copia di parti di programmi che sono uguali in diversi processi (memoria condivisa) • Per evitare la frammentazione della memoria (spazi vuoti in memoria inutilizzabili) è utile allocare i programmi suddividendoli in pezzi • La memoria fisica può essere insufficiente a contenere la memoria virtuale di tutti processi • Gli indirizzi contenuti in un programma eseguibile sono indirizzi virtuali e fanno riferimento alla memoria virtuale • La memoria effettivamente presente nel calcolatore è la memoria fisica e i suoi indirizzi sono detti indirizzi fisici

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