01-silb

01-silb
Informazioni
Docente: Prof.ssa Adele Rescigno
Impossibile v isualizzare l'immagine.
e-mail: [email protected]
Corso di
http://www.di.unisa.it/professori/rescigno/SO/lo.htm
Sistemi Operativi
Programma dettagliato
Slide delle lezioni
Informazioni sul corso
…. e tutto quanto sarà necessario
Corso di recupero per matricole pari
Sistemi operativi
1.2
Informazioni
Libri di testo
Orario delle lezioni
Martedì
09:00 – 12:00, Lab. Reti
Giovedì
09:00 – 12:00, Lab. Reti
Ricevimento
Lunedì 11:00 - 13:00
1.3
Sistemi operativi
Uff. 59 (4° piano, stecca 7)
Sistemi operativi
Giovedì 12:00 - 13:00
1.4
Ulteriori informazioni
Installazione linux
Linux Documentation Project:
Giovedì 13 marzo
Linux User's Guide
Laboratorio Reti
M. Sobell, "A practical Guide to Linux“
Addison Wesley
Accertarsi di avere l’account personale
Guida dell'utente di Linux,
L. Greenfield, http://www.pluto.it/files/ildp/guide/GuidaUtente/index.html
Riferimenti: Dott. Fulvio Marino (Stecca 7 - II piano - Stanza
13)
(in italiano)
N.B: NON è l'account UNISA
Bash Reference Manual,
http://appunti.linux.it/a2/a228.htm#almltitle777 (in italiano)
Portare una pen drive USB da 8 GBytes (o 16 Gbyte)
1.5
1.6
Esame
Prove in itinere:
Impossibile v isualizzare l'immagine.
I prova ---- 3 Novembre
Sistemi Operativi
II prova ---- 8 Gennaio
Appelli:
12 gennaio
26 gennaio
Capitolo 1 -- Silberschatz
Sistemi operativi
9 febbraio
1.7
Sistemi operativi
Appunti di Linux – Bash
Sistemi operativi
Free Software Foundation
http://www.gnu.org/software/bash/manual/bash.html
Concetti introduttivi
Che cos’è un sistema operativo
Organizzazione di un sistema di calcolo
Architettura degli elaboratori
Che cos’è un sistema operativo?
Struttura del sistema operativo
Attività del sistema operativo
Gestione dei processi
Sistemi operativi
Gestione della memoria di massa
Sistemi operativi
Gestione della memoria
Protezione e sicurezza
1.9
1.10
Che cos’è un sistema operativo?
Componenti di un sistema di calcolo
Hardware – fornisce risorse
computazionali di base
È un programma che opera da intermediario tra
l’utente e l’hardware del computer
CPU, memoria, I/O device
utente
1
utente
2
utente
3
assemblatore
editor di testi
utente
n
Sistema Operativo
Controlla e coordina l’uso
dell’hardware tra applicazioni
e utenti
Assicura che il computer operi correttamente e
che le risorse siano usate efficientemente
compilatore
base di dati
programmi applicativi
Programmi – definiscono i
modi attraverso i quali le
risorse del sistema vengono
usate per risolvere problemi
computazionali degli utenti
Esegue i programmi degli utenti e facilita i loro
compiti offrendo un ambiente d’uso conveniente
sistema operativo
dispositivi fisici
Sistemi operativi
Sistemi operativi
word processor, compiler,
web browser, database,video
game
Utenti
Persone, dispositivi, altri
computer
1.11
1.12
Ruolo del Sistema Operativo
Visione del sistema
Il Sistema Operativo (SO in breve) è il programma più
intimamente connesso con l’hardware. Quindi, è:
PC (progettati per un singolo utente). Il sistema operativo
è progettato principalmente per facilitare l’uso del
computer.
allocatore di risorse: di fronte a richieste conflittuali,
decide come assegnare equamente ed efficientemente
le risorse ai programmi (e.g. tempo di CPU, spazio di
memoria)
Mainframe (più utenti condividono le stesse risorse).
Occorre massimizzare l’uso delle risorse.
Workstation. Compromesso ottimale tra uso risorse
individuali e risorse condivise.
programma di controllo: garantisce l’esecuzione dei
programmi senza errori e usi impropri del computer
esecutore di funzioni comuni: esegue funzioni di utilità
generale comuni ai diversi programmi (e.g. routine di I/O)
1.13
1.14
Sistema Operativo: cos’è e cosa fa?
Definizione di Sistema Operativo
I sistemi operativi esistono perché forniscono agli
utenti uno strumento conveniente per l’uso di un
sistema di calcolo
facilità d’uso
Non esiste una definizione universalmente accettata
“Tutto ciò che il venditore ti invia quando ordini un
sistema operativo” - è una buona approssimazione ma
varia ampiamente
convenienza
efficiente uso delle risorse
“Il programma che è sempre in esecuzione sul
computer” è il kernel. Tutto il resto è o un programma
di sistema o un programma applicativo.
Gran parte della teoria dei SO si è concentrata
sull’efficienza. Inoltre, hardware e SO si sono
influenzati vicendevolmente
1.16
Sistemi operativi
Sistemi operativi
1.15
Sistemi operativi
Sistemi Embedded (calcolatori integrati negli
elettrodomestici o nelle auto). Concepiti per funzionare
senza l’intervento dell’utente
Sistemi operativi
Palmari e simili. Progettati per l’uso individuale
prestando attenzione al consumo della batteria
Bootstrap
Un programma di bootstrap viene caricato quando il
computer viene accesso o viene riavviato
Tipicamente è memorizzato in una ROM o in una
EEPROM (firmware)
Organizzazione di un elaboratore
Inizializza tutte le funzioni principali del sistema, dai
registri della CPU ai controller della memoria
Componenti e Meccanismi
Carica il kernel del sistema operativo e comincia
l’esecuzione
1.17
Sistemi operativi
Sistemi operativi
Il kernel del sistema operativo avvia l’esecuzione del
primo processo (init) ed aspetta che si verifichino
eventi o richieste degli utenti da eseguire
1.18
Moderno sistema di calcolo
Struttura di un elaboratore
I dispositivi di I/O e la CPU lavorano concorrentemente.
Modalità di funzionamento
CPU e controller di dispositivi sono connessi ad un
bus comune che fornisce accesso alla memoria
condivisa
Ciascun controller gestisce un particolare tipo di
CPU e i controller dei dispositivi competono per
ottenere cicli di accesso alla memoria
Ogni controller possiede un buffer locale
dispositivo
I/O avviene tra i dispositivi e i buffer locali dei controller
La CPU trasferisce dati dalla/alla memoria in/da buffer
I controller dei dispositivi informano la CPU che hanno
finito il proprio lavoro generando un interrupt.
1.19
1.20
Sistemi operativi
Sistemi operativi
locali
Interrupt driven
Meccanismo delle interruzioni
Gli eventi sono segnalati da interrupt o da eccezioni (trap).
Quando la CPU riceve un interrupt,
sospende ciò che sta facendo e
comincia ad eseguire codice a
partire da una locazione fissa, che
contiene l’indirizzo di partenza della
routine di interrupt.
Per ogni tipo di interrupt, segmenti separati del codice del
SO (routine di gestione dell’interrupt) determinano le
azioni da intraprendere per gestire l’evento.
Una trap è un interrupt generato dal software, causato o
da un errore durante la computazione o da una richiesta
specifica dell’utente (chiamata di sistema).
fine di prevenire la perdita di interrupt
1.21
1.22
Due metodi per l’I/O
Sincrono
L’architettura dell’interrupt salva l’indirizzo dell’istruzione interrotta e
lo stato del processore (i.e., registri) in un’area di memoria chiamata
stack.
Sistemi operativi
eseguendo una routine di gestione di un altro interrupt, al
Sistemi operativi
Gli interrupt sono solitamente disabilitati mentre si sta
L’architettura dell’interrupt trasferisce il controllo alla routine di
gestione attraverso il vettore degli interrupt, che contiene gli indirizzi
di tutte le routine di servizio.
Tabella dello stato dei dispositivi
Asincrono
Sistemi operativi
Sistemi operativi
1.23
1.24
Dispositivi di memoria
Gerarchia dei dispositivi di memoria
I sistemi di memorizzazione sono organizzati
gerarchicamente.
Memoria centrale – è la sola grande memoria a cui la
CPU può accedere.
Velocità
Costo
Memoria secondaria – estensione della memoria
centrale che fornisce grande capacità di
memorizzazione non volatile.
Volatilità
Dischi magnetici – piatti rigidi di metallo o vetro
coperti da materiale magnetico
Sistemi operativi
Sistemi operativi
1.25
1.26
Struttura della memoria centrale
Struttura della memoria secondaria
La memoria centrale (RAM) è una sequenza di parole
a cui il processore può accedere direttamente
attraverso il bus.
Disco magnetico
Un disco è composto da piatti
Un testina di lettura/scrittura
sfiora ogni piatto
Ogni parola ha un proprio indirizzo.
Ogni piatto è diviso in tracce.
L’interazione avviene tramite istruzioni load e store.
Ogni traccia in settori.
La memoria contiene istruzioni e dati, ma l’unica cosa
che vede è un flusso di indirizzi.
1.27
1.28
Sistemi operativi
Sistemi operativi
È volatile.
L’insieme delle tracce che si
trova sotto un braccio forma un
cilindro.
Accesso diretto alla memoria (DMA)
Usato per dispositivi di I/O (nastri,
dischi, reti di comunicazione)
capaci di trasmettere
informazione ad alte velocità,
prossime a quella della memoria.
Architetture
Il controller del dispositivo
trasferisce blocchi di dati dal
buffer direttamente alla memoria
senza l’intervento della CPU.
Sistemi operativi
Sistemi operativi
1.29
1.30
Architetture a multi-processore
Architetture a singolo processore
Tali sistemi sono dotati di un singolo processore
che esegue un set di istruzioni general-purpose
Questi sistemi, anche detti paralleli o con processori strettamente
accoppiati, posseggono più processori che condividono il bus del
computer, il clock, la memoria e le periferiche.
Spesso usano anche processori special purpose,
quali processori di I/O, che muovono
velocemente dati tra le componenti (e.g., diskcontroller, processori associati alle tastiere).
Maggiore quantità di elaborazione effettuata
è possibile svolgere un lavoro maggiore in meno tempo
I processori special purpose eseguono un insieme
ristretto di istruzioni e non processi utenti
con n unità la velocità non aumenta di n volte
Economia di scala
il microprocessore associato al controller del disco
deve implementare la coda di richieste e l’algoritmo
di scheduling
1.31
dovendo operare sullo stesso insieme di dati è inutile duplicare
Aumento affidabilità
un guasto di alcuni processori non blocca l’intero sistema
si rallenta perché sulle unità rimanenti si spalma il lavoro delle unità guaste,
ma non si ferma
1.32
Sistemi operativi
In tutti i casi la CPU è unica e quindi si tratta di un
sistema a monoprocessore
Sistemi operativi
A volte la CPU principale comunica con questi
processori. Altre volte, essi sono totalmente
autonomi.
c’è risparmio perché i dispositivi periferici, gli alimentatori elettrici ed altro
possono essere condivisi
Architetture a multi-processore
CPU Multi-core
Esistono due tipi di sistema multiprocessore:
sistema multiprocessore asimmetrico – un processore principale
(master) organizza e gestisce il lavoro per gli altri (slave) che svolgono
compiti specifici
Un microprocessore multi-core combina due o più
processori indipendenti su un singolo supporto, spesso un
singolo circuito integrato
sistema multiprocessore simmetrico (SMP) – ogni processore
esegue una copia del sistema operativo e, tali copie, comunicano tra
loro
nel corso del 2005 sono arrivati i primi chip dual core sul
mercato : questo perché in pratica, si è giunti ad un momento
in cui aumentare ulteriormente la frequenza di clock di una
CPU (che fino a quel momento erano state single core) è
diventato molto oneroso e complicato, per via dei consumi che
hanno superato abbondantemente i 100 W e il conseguente
problema di raffreddamento dei circuiti.
Ogni processore può compiere tutte le operazioni
Tutti i processori su un piano di parità
Sistemi operativi
Sistemi operativi
1.33
La soluzione che è sembrata più ovvia ai progettisti è stata
quella di puntare tutto sul parallelismo in modo da poter
aumentare il numero di operazioni eseguibili in un unico ciclo di
clock.
1.34
Server Blade
Sistemi Cluster
I sistemi cluster hanno il compito di svolgere attività
d’elaborazione comuni.
Un server blade (a lama) è essenzialmente un
alloggiamento per schede madri, ciascuna contenente uno o
più processori, memoria centrale, e connessioni di rete, che
condividono il sistema di alimentazione e di raffreddamento
dell’intera infrastruttura e le memorie di massa
Mettono assieme due o più computer che condividono la
memoria di massa e sono collegati tramite cavi veloci.
Cluster è solitamente sinonimo di alta affidabilità.
tali server sono costituiti da svariati sistemi multiprocessore
indipendenti
Cluster asimmetrico: una macchina si trova in stato di attesa a
caldo (hot-standby mode) mentre l’altra esegue le applicazioni
desiderate.
se la seconda presenta problemi, la prima se ne accorge e la sostituisce
diventando server attivo
1.36
Sistemi operativi
Sistemi operativi
1.35
Cluster simmetrico: le macchine eseguono le applicazioni e si
controllano a vicenda.
Sistemi Cluster
La tecnologia dei cluster sta evolvendo rapidamente (e.g.,
cluster paralleli o sistemi connessi attraverso WAN) ed è
strettamente legata allo sviluppo delle SAN (storage area
network) che permettono a molti sistemi di accedere ad un
gruppo di dischi direttamente connessi alla rete.
Struttura di un Sistema Operativo
Componenti principali
Questo comporta il controllo degli accessi e la gestione della
mutua esclusione
Sistemi operativi
Sistemi operativi
1.37
1.38
Concetti chiave
Configurazione della memoria per un sistema
con multiprogrammazione
Un processo è un programma in esecuzione. É l’unità
di lavoro nel sistema. Un programma è una entità
passiva, un processo è un’entità attiva.
Terminologia: job – processo - task
Multiprogrammazione - necessaria per efficienza
Un solo utente non può tenere CPU e dispositivi I/O occupati
per tutto il tempo
Esegue più job e la CPU è sempre impegnata con uno di essi
Sistemi operativi
Un job viene selezionato (job scheduling) ed eseguito
Sistemi operativi
Un sottoinsieme dei job si trova in memoria centrale
Quando attende (e.g., operazione di I/O ), il SO esegue un
altro job
1.39
1.40
Concetti chiave
Timesharing (multitasking) - estensione logica della
multiprogrammazione: la CPU commuta tra i job così
frequentemente che gli utenti possono interagire con ciascun
job mentre è in esecuzione, realizzando una computazione
interattiva
Operazioni di un Sistema Operativo
Tempo di Risposta < 1 secondo
Ciascun utente ha almeno un programma in esecuzione in memoria
processo
Se diversi processi sono pronti per essere eseguiti
La memoria virtuale permette l’esecuzione di processi che non sono
completamente in memoria 1.41
Sistemi operativi
Se i processi non entrano in memoria, lo swapping li sposta dentro e
fuori per eseguirli
Sistemi operativi
CPU scheduling
1.42
Operazioni di un Sistema Operativo
Supporto hardware
Il sistema operativo giace di norma in uno stato di quiete
in attesa che accada qualcosa
Alcuni processi potrebbero ciclare all’infinito, o
potrebbero tentare di modificare codice e dati di altri
processi o del SO: supporti hardware vengono in
aiuto.
Gli eventi sono segnalati da interrupt
L’hardware genera interrupt
Il dual-mode permette al SO di proteggere se
stesso e le altre componenti del sistema
Errori software o richieste generano exception o trap
user mode e kernel mode
mode bit fornito dall’ hardware
Alcune istruzioni vengono definite privilegiate, e sono
eseguibili soltanto in modalità kernel
1.43
1.44
Sistemi operativi
Sistemi operativi
Permette di distinguere quando il sistema sta
eseguendo codice utente da quando sta eseguendo
codice kernel
Supporto hardware
System call – Chiamata di sistema
Un Timer previene loop infiniti / rilascio risorse dai
processi
Le chiamate di sistema sono gli strumenti con cui un
programma utente chiede al sistema di svolgere per lui
azioni ad esso riservate
Permette di settare l’invio di un interrupt al termine di
uno specifico periodo di tempo
Il SO decrementa un contatore. A zero genera
l’interrupt
1.45
Sistemi operativi
Sistemi operativi
Viene settato prima di schedulare i processi per
riacquisire il controllo e terminare programmi che
eccedono nel tempo
Il SO, nell’esecuzione di una system call, passa in kernel mode.
Alla fine della call, ritorna in user mode
1.46
Gestione dei processi
Un processo è un programma in esecuzione. É l’unità di
lavoro nel sistema. Un programma è una entità passiva,
un processo è un’entità attiva.
Gestione dei processi
Un processo necessita di risorse per svolgere il proprio compito
CPU, memoria, I/O, file, dati d’inizializzazione
La terminazione di un processo richiede il recupero delle risorse
Un processo esegue istruzioni sequenzialmente, una dopo
l’altra.
Un processo con più flussi d’esecuzione (multi thread) ha un
program counter per ogni flusso d’esecuzione
1.47
1.48
Sistemi operativi
Sistemi operativi
Un processo a singolo flusso d’esecuzione (single thread) ha un
program counter che specifica la locazione della prossima
istruzione da eseguire
Gestione dei processi
Tipicamente un sistema ha processi, utente e del SO,
eseguiti concorrentemente su una o più CPU
La concorrenza viene realizzata commutando le CPU tra i
diversi processi / thread
Gestione della memoria
Il SO è responsabile delle seguenti attività in relazione
alla gestione dei processi:
Creazione e cancellazione sia di processi utenti che del SO
Fornire meccanismi per la comunicazione dei processi
Sistemi operativi
Fornire meccanismi per la sincronizzazione dei processi
Sistemi operativi
Sospensione e riavvio di processi
Fornire meccanismi per la gestione dello stallo (deadlock)
1.49
1.50
Gestione dei file
Gestione della memoria centrale
Il SO fornisce una visione logica uniforme della
memorizzazione delle informazioni
Tutti i dati debbono essere in memoria prima e dopo
l’elaborazione
Astrae proprietà fisiche dispositivi in unità logica – file
Tutte le istruzioni debbono essere in memoria per essere
eseguite
Ciascun supporto è controllato da un device (i.e., disk
drive, tape drive)
Varie proprietà: velocità di accesso, capacità, velocità di
trasferimento, metodo d’accesso (sequenziale o random)
La gestione della memoria determina il contenuto della
memoria
ottimizzazione dell’utilizzo CPU e delle risposte agli utenti
La gestione del File System richiede
Organizzazione dei file in directory
In relazione alla gestione della memoria, il SO deve
Controllo d’accesso per stabilire chi può accedere a cosa
1.52
Sistemi operativi
1.51
Sistemi operativi
Tener traccia di quali parti della memoria sono correntemente
usate e da chi
Decidere quali processi (o parti di) e dati muovere dentro e
fuori dalla memoria
Allocare e deallocare lo spazio di memoria secondo le
esigenze
Gestione dei file
Gestione della memoria di massa
Attività che il SO deve supportare
Il calcolatore usa la memoria secondaria a sostegno
della memoria centrale
Creazione e cancellazione di file e directory
Primitive per manipolare file e directory
I programmi restano sul disco fino al momento del
caricamento in memoria e molti di essi si servono
del disco come sorgente e destinazione delle loro
computazioni (compilatori, editor, …)
Mappatura dei file sul disco
Backup dei file su memorie non volatile
Il sistema operativo è responsabile di
scheduling del disco
Caching
E’ un principio importante, implementato nel
computer a molti livelli (in hardware, sistema
operativo, software)
La cache è il primo mezzo di memorizzazione che
viene controllato quando si ricerca un dato
Se il dato è lì, viene usato direttamente (veloce)
Cache gestite dall’architettura del sistema: cache per la
memorizzazione della prossima istruzione da eseguire.
Se non lo è, il dato è copiato nella cache ed usato
I registri indice rappresentano per la memoria centrale una
cache ad alta velocità
Le cache sono solitamente piccole. Problemi:
Il compilatore ha algoritmi di assegnazione e
aggiornamento della cache
come regolare la taglia della cache?
quando effettuare il ripristino?
Sistemi operativi
Sistemi operativi
1.55
assegnazione spazio
1.54
Caching
L’informazione che si sta usando viene copiata
temporaneamente da un mezzo di memorizzazione
più lento ad uno più veloce (cache)
Sistemi operativi
Sistemi operativi
1.53
gestione spazio libero
1.56
Gestione dell’ I/O
Coerenza/Consistenza
Uno degli scopi del SO è di nascondere le
peculiarità dei dispositivi hardware all’utente
Il sottosistema di I/O è responsabile per
Gestione della memoria
buffering (memorizzazione temporanea di dati durante
i trasferimenti),
caching (spostamento di dati in memorie più veloci),
spooling (sovrapposizione dell’output di un job con
l’input di altri in caso di gestione di più processi).
Interfaccia generale per i driver dei dispositivi
Sistemi operativi
Sistemi operativi
In ambienti multitask, se parecchi processi provano ad
accedere all’intero A, occorre assicurarsi che ognuno di
esso ottenga il valore più aggiornato
In ambienti multiprocessore l’hardware deve fornire la
coerenza delle cache, in modo tale che tutte le CPU
possano accedere al valore aggiornato nelle cache
locali
In ambienti distributi la situazione diventa ancora più
complessa
Driver per specifici dispositivi hardware
Possono esistere diverse copie di un dato
1.57
1.58
Protezione e sicurezza
Protezione – ogni meccanismo definito dal SO per
controllare l’accesso di processi o utenti a risorse
Sicurezza – difese del SO contro attacchi interni ed
esterni
Protezione e sicurezza
e.g., denial-of-service, worm, virus.
Sistemi operativi
Sistemi operativi
1.59
1.60
Protezione e sicurezza
I SO generalmente distinguono gli utenti per stabilire
chi può fare cosa
Identità utenti (user ID, security ID) includono nomi e
identificativi numerici
Gli user ID sono poi associati ai file e ai processi di
quell’utente per il controllo dell’accesso
Identificativi di gruppo (group ID) permettono la definizione e
il controllo di gruppi di utenti e sono associati a processi e file
La modifica dei privilegi permette all’utente il cambio
temporaneo del proprio user ID per aver più permessi
Sistemi operativi
1.61
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Thank you for your participation!

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