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Struttura dei Sistemi Operativi. 2.2 Sistemi Operativi a.a. 2007-08 Struttura dei sistemi operativi Servizi del sistema operativo Interfaccia utente Chiamate.

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1 Struttura dei Sistemi Operativi

2 2.2 Sistemi Operativi a.a Struttura dei sistemi operativi Servizi del sistema operativo Interfaccia utente Chiamate di sistema Programmi di sistema Progettazione e realizzazione Struttura del sistema operativo Macchine virtuali Generazione di sistemi

3 2.3 Sistemi Operativi a.a Introduzione 1 I sistemi operativi forniscono lambiente in cui si eseguono i programmi Essendo organizzati secondo criteri che possono essere assai diversi, tale può essere anche la loro struttura interna La progettazione di un nuovo sistema operativo è un compito complesso il tipo di sistema desiderato definisce i criteri di scelta dei metodi e degli algoritmi implementati

4 2.4 Sistemi Operativi a.a Introduzione 2 In fase di progettazione, il sistema operativo può essere definito/valutato in base a… …i servizi che esso dovrà fornire …linterfaccia messa a disposizione di programmatori e utenti …la complessità di realizzazione

5 2.5 Sistemi Operativi a.a Servizi del sistema operativo 1 Interfaccia utente Command Line InterfaceCLIGraphic User Interface GUI Interfaccia utente Tutti gli attuali SO sono dotati di uninterfaccia utente, a linea di comando (Command Line Interface, CLI) o grafica (Graphic User Interface, GUI) Esecuzione di programmi Esecuzione di programmi capacità di caricare un programma in memoria ed eseguirlo, eventualmente rilevando ed opportunamente gestendo situazioni di errore Operazioni di I/O Operazioni di I/O il SO fornisce ai programmi utente i mezzi per effettuare lI/O su file o periferica Gestione del file system Gestione del file system capacità dei programmi di leggere, scrivere e cancellare file e muoversi nella struttura delle directory

6 2.6 Sistemi Operativi a.a Comunicazioni Comunicazioni scambio di informazioni fra processi in esecuzione sullo stesso elaboratore o su sistemi diversi, connessi via rete memoria condivisascambio di messaggi Le comunicazioni possono avvenire utilizzando memoria condivisa o con scambio di messaggi Rilevamento di errori Rilevamento di errori il SO deve tenere il sistema di calcolo sotto controllo costante, per rilevare possibili errori, che possono verificarsi nella CPU e nella memoria, nei dispositivi di I/O o durante lesecuzione di programmi utente Per ciascun tipo di errore, il SO deve prendere le opportune precauzioni per mantenere una modalità operativa corretta e consistente I servizi di debugging possono facilitare notevolmente la programmazione e, in generale, linterazione con il sistema di calcolo Servizi del sistema operativo 2

7 2.7 Sistemi Operativi a.a Esistono funzioni addizionali atte ad assicurare lefficienza delle operazioni di sistema (non esplicitamente orientate allutente) Allocazione di risorse Allocazione di risorse quando più utenti o più job vengono eseguiti in concorrenza, le risorse disponibili devono essere allocate equamente ad ognuno di essi Accounting e contabilizzazione delluso delle risorse Accounting e contabilizzazione delluso delle risorse tener traccia di quali utenti usano quali e quante risorse del sistema (utile per ottimizzare le prestazioni del sistema di calcolo) Protezione e sicurezza Protezione e sicurezza i possessori di informazione memorizzata in un sistema multiutente o distribuito devono essere garantiti da accessi indesiderati ai propri dati; processi concorrenti non devono interferire fra loro Protezione Protezione: assicurare che tutti gli accessi alle risorse di sistema siano controllati Sicurezza password Sicurezza: si basa sullobbligo di identificazione tramite password e si estende alla difesa dei dispositivi di I/O esterni (modem, adattori di rete, etc.) da accessi illegali Servizi del sistema operativo 3

8 2.8 Sistemi Operativi a.a Interfaccia utente CLI Linterfaccia utente a linea di comando permette di impartire direttamente comandi al SO (istruzioni di controllo) Talvolta viene implementata direttamente nel kernel, altrimenti attraverso programmi di sistema (UNIX) shell Può essere parzialmente personalizzabile, ovvero il SO può offrire più shell, più ambienti diversi, da cui lutente può impartire le proprie istruzioni al sistema interprete dei comandi La sua funzione è quella di interpretare ed eseguire la successiva istruzione di comando (sia essa una istruzione built in del SO o il nome di un eseguibile utente) interprete dei comandi

9 2.9 Sistemi Operativi a.a Linterprete dei comandi I comandi ricevuti dallinterprete possono essere eseguiti secondo due modalità: Se il codice relativo al comando è parte del codice dellinterprete, si effettua un salto allopportuna sezione di codice Poiché ogni comando richiede il proprio segmento di codice, il numero dei comandi implementati determina le dimensioni dellinterprete I comandi vengono implementati per mezzo di programmi di sistema I programmatori possono aggiungere nuovi comandi al sistema creando nuovi file con il nome appropriato Linterprete dei comandi non viene modificato e può avere dimensioni ridotte

10 2.10 Sistemi Operativi a.a Linterprete dei comandi in Linux Esempio A fronte del comando $ rm file.txt linterprete cerca un file chiamato rm, lo carica in memoria e lo esegue con il parametro file.txt Esegue la cancellazione remove del file file.txt

11 2.11 Sistemi Operativi a.a Interfaccia utente GUI desktop Interfaccia user friendly che realizza la metafora della scrivania (desktop) Interazione semplice via mouse icone Le icone rappresentano file, directory, programmi, azioni, etc. folder cartelle I diversi tasti del mouse, posizionato su oggetti differenti, provocano diversi tipi di azione (forniscono informazioni sulloggetto in questione, eseguono funzioni tipiche delloggetto, aprono directory folder, o cartelle, nel gergo GUI)

12 2.12 Sistemi Operativi a.a Interfaccia utente Molti sistemi operativi attuali includono interfacce sia CLI che GUI Microsoft Windows Microsoft Windows è ad interfaccia grafica, ma dotato di una shell di comandi (DOS) Apple Mac OS X Apple Mac OS X interagisce per mezzo della GUI Aqua, ma è dotato di un kernel UNIX e mette a disposizione diversi tipi di shell Solaris Solaris è tipicamente CLI, con interfaccia GUI opzionale (Java Desktop, KDE) Linux Linux era originariamente, come tutti i sistemi UNIX like, di tipo CLI, ma le versioni attuali offrono interfacce GUI molto avanzate (KDE, GNOME)

13 2.13 Sistemi Operativi a.a Chiamate di sistema Le chiamate al sistema forniscono linterfaccia fra i processi e i servizi offerti dal SO Sono realizzate utilizzando linguaggi di alto livello (C o C ) Application Program Interface Normalmente vengono richiamate dai programmi attraverso API (Application Program Interface) piuttosto che per invocazione diretta I tre tipi di API più comuni (corrispondenti ai sistemi operativi più diffusi) sono la Win32 API per Windows, la POSIX API per i sistemi POSIX based (tutte le versioni di UNIX, Linux, e Mac OS X), e la Java API per la Java Virtual Machine (JVM)

14 2.14 Sistemi Operativi a.a Esempio di chiamate al sistema Sequenza di chiamate al sistema per realizzare la copia di un file in un altro

15 2.15 Sistemi Operativi a.a Chiamate di sistema (Cont.) system call Normalmente, a ciascuna system call è associato un numero Linterfaccia delle chiamate al sistema mantiene una tabella indicizzata dal numero di system call, effettua la chiamata e ritorna lo stato del sistema dopo lesecuzione (ed eventuali valori restituiti) Lutente non deve conoscere i dettagli implementativi delle system call Deve conoscere la modalità di utilizzo dellAPI ed il compito svolto dalle chiamate al sistema Linterfaccia API è realizzata per mezzo della libreria di run time Aumenta la portabilità dei programmi e la loro semplicità

16 2.16 Sistemi Operativi a.a Relazioni API – System call – SO

17 2.17 Sistemi Operativi a.a Esempio con la libreria standard C printf() Programma C che invoca la funzione di libreria per la stampa printf() write() La libreria C intercetta la funzione e invoca la system call write() La libreria riceve il valore restituito dalla chiamata al sistema e lo passa al programma utente Per Linux, la libreria standard del linguaggio C fornisce una parte dellAPI

18 2.18 Sistemi Operativi a.a Passaggio di parametri alle system call Spesso linformazione necessaria alla chiamata di sistema non si limita al solo nome (o numero di identificazione) Il tipo e la quantità di informazione varia per chiamate diverse e diversi sistemi operativi Esistono tre metodi generali per passare parametri al SO Il più semplice: passaggio di parametri nei registri Talvolta, possono essere necessari più parametri dei registri presenti Memorizzazione dei parametri in una tabella in memoria e passaggio dellindirizzo della tabella come parametro in un registro Approccio seguito da Linux e Solaris Push pop Push dei parametri nello stack da parte del programma; il SO recupera i parametri con un pop Gli ultimi due metodi non pongono limiti al numero ed alla lunghezza dei parametri passati

19 2.19 Sistemi Operativi a.a Passaggio di parametri tramite tabella

20 2.20 Sistemi Operativi a.a Tipi di chiamate al sistema 1 Controllo dei processi Gestione dei file Gestione dei dispositivi di I/O Gestione delle informazioni Comunicazione

21 2.21 Sistemi Operativi a.a Tipi di chiamate al sistema 2 Controllo dei processi Creazione e arresto di un processo loadexecute Caricamento ed esecuzione (load, execute ) get/set process attributes Esame ed impostazione degli attributi di un processo (get/set process attributes ) wait Attesa per il tempo indicato o fino alla segnalazione di un evento (wait ) Assegnazione e rilascio di memoria endabort Terminazione (normale e anormale end, abort )

22 2.22 Sistemi Operativi a.a Esecuzione di programmi in MS DOS (b) Durante lesecuzione di un programma utente (a) Allo startup del sistema

23 2.23 Sistemi Operativi a.a Esecuzione multipla di programmi in FreeBSD

24 2.24 Sistemi Operativi a.a Tipi di chiamate al sistema 3 Gestione dei file createdelete Creazione e cancellazione di file (create, delete ) openclose Apertura e chiusura di file (open, close ) readwrite reposition Lettura, scrittura e posizionamento (read, write, reposition ) get/set file attribute Esame ed impostazione degli attributi di un file (get/set file attribute ) Gestione dei dispositivi di I/O requestrelease Richiesta e rilascio di un dispositivo (request, release ) Lettura, scrittura e posizionamento Esame ed impostazione degli attributi di un dispositivo

25 2.25 Sistemi Operativi a.a Tipi di chiamate al sistema 4 Gestione delle informazioni timedate Esame ed impostazione dellora e della data (time, date ) ver Esame ed impostazione dei dati del sistema (ver ) Esame ed impostazione degli attributi dei processi, file e dispositiviComunicazione Creazione e chiusura di una connessione Invio e ricezione di messaggi Informazioni sullo stato dei trasferimenti Inserimento ed esclusione di dispositivi remoti

26 2.26 Sistemi Operativi a.a Programmi di sistema 1 I programmi di sistema forniscono un ambiente conveniente per lo sviluppo e lesecuzione di programmi Esistono programmi di sistema per… Gestione di file Informazioni di stato Modifica di file Supporto a linguaggi di programmazione Caricamento ed esecuzione di programmi Comunicazioni Realizzazione di programmi applicativi Laspetto del SO per la maggioranza degli utenti è definito dai programmi di sistema, non dalle chiamate di sistema vere e proprie

27 2.27 Sistemi Operativi a.a Gestione di file Gestione di file per creare, cancellare, copiare, rinominare, stampare e, genericamente, gestire le operazioni su file e directory Informazioni di stato Per ottenere dal sistema informazioni tipo data, spazio di memoria disponibile, spazio disco, numero di utenti abilitati Per ottenere informazioni sulle statistiche di utilizzo del sistema di calcolo (prestazioni, logging, etc.) e per operazioni di debugging Per effettuare operazioni di stampa Per ottenere informazioni sulla configurazione del sistema Programmi di sistema 2

28 2.28 Sistemi Operativi a.a Modifica di file Editori di testo, per creare e modificare file Comandi speciali per cercare informazioni allinterno di file o effettuare trasformazioni sul testo Supporto a linguaggi di programmazione Supporto a linguaggi di programmazione assembler, compilatori e interpreti Caricamento ed esecuzione di programmi Caricamento ed esecuzione di programmi loader, linker, debugger per linguaggio macchina e linguaggi di alto livello Comunicazioni Comunicazioni per creare connessioni virtuali tra processi, utenti e sistemi di elaborazione Permettono agli utenti lo scambio di messaggi video e via e mail, la navigazione in Internet, il login remoto ed il trasferimento di file Programmi di sistema 3

29 2.29 Sistemi Operativi a.a Progettazione del sistema operativo La struttura interna dei diversi SO può variare notevolmente… …in dipendenza dallhardware …e dalle scelte progettuali, che dipendono dallo scopo del sistema operativo e ne influenzano i servizi offerti Richieste utente ed obiettivi del SO Richieste utente Richieste utente il SO deve essere di semplice utilizzo, facile da imparare, affidabile, sicuro e veloce Obiettivi del sistema Obiettivi del sistema il SO deve essere semplice da progettare, facile da realizzare e manutenere, flessibile, affidabile, error free ed efficiente

30 2.30 Sistemi Operativi a.a Per la progettazione e la realizzazione di un sistema operativo è fondamentale mantenere separati i due concetti di… Politica Politica: Quali sono i compiti e i servizi che il SO dovrà svolgere/fornire? Meccanismi Meccanismi: Come realizzarli? I meccanismi determinano come realizzare qualcosa, le politiche definiscono il qualcosa da realizzare La separazione fra politica e meccanismi garantisce la massima flessibilità se le decisioni politiche subiscono cambiamenti successivi Meccanismi e politiche

31 2.31 Sistemi Operativi a.a Tradizionalmente i SO venivano scritti in linguaggio assembly; attualmente vengono invece sviluppati in linguaggi di alto livello, particolarmente orientati al sistema: C o C Vantaggi Veloci da codificare Codice compatto, di facile comprensione, messa a punto e manutenzione Portabilità Possibili svantaggi Minor efficienza del codice C rispetto allassembly Valutazione del sistema ed eventuale riscrittura di piccole porzioni critiche di codice (scheduler della CPU, gestore della memoria) in assembly Realizzazione del sistema operativo

32 2.32 Sistemi Operativi a.a Sistemi storici: monolitici Attualmente: suddivisione in piccole componenti, ciascuna delle quali deve essere un modulo ben definito del sistema, con interfacce e funzioni chiaramente stabilite in fase di progettazione Struttura del sistema operativo

33 2.33 Sistemi Operativi a.a SO con struttura semplice MS DOS MS DOS scritto per fornire il maggior numero di funzionalità utilizzando la minor quantità di spazio possibile: Non è suddiviso in moduli Sebbene MS DOS abbia una qualche struttura, le sue interfacce e livelli di funzionalità non sono ben separati Le applicazioni accedono direttamente alle routine di sistema per lI/O Vulnerabilità agli errori ed agli attacchi dei programmi utente Intel 8088, per cui MS DOS fu progettato, non offre duplice modo di funzionamento e protezione hardware impossibile proteggere hardware/SO dai programmi utente

34 2.34 Sistemi Operativi a.a Struttura degli strati di MS DOS

35 2.35 Sistemi Operativi a.a UNIX UNIX UNIX a causa delle limitate funzionalità hardware disponibili allepoca della realizzazione, il sistema operativo originale aveva una struttura scarsamente stratificata UNIX è costituito di due parti separate: I programmi di sistema kernel Il kernel: È formato da tutto ciò che si trova sotto linterfaccia delle chiamate di sistema e sopra lhardware Fornisce il file system, lo scheduling della CPU, la gestione della memoria un gran numero di funzioni per un solo livello!

36 2.36 Sistemi Operativi a.a Struttura del sistema UNIX

37 2.37 Sistemi Operativi a.a Approccio stratificato 1 In presenza di hardware appropriato, i SO possono assumere architettura modulare, per meglio garantire il controllo sulle applicazioni Il SO è suddiviso in un certo numero di strati (livelli), ciascuno costruito sopra gli strati inferiori Il livello più basso (strato 0) è lhardware, il più alto (strato N) è linterfaccia utente Larchitettura degli strati è tale che ciascuno strato impiega esclusivamente funzioni (operazioni) e servizi di strati di livello inferiore Incapsulamento delle informazioni

38 2.38 Sistemi Operativi a.a Approccio stratificato 2 Layer M 1 Layer M Exisisting operations Hidden operations New operations

39 2.39 Sistemi Operativi a.a Approccio stratificato 3 Vantaggio Semplicità di realizzazione e messa a punto (che viene realizzata strato per strato) Svantaggi Difficoltà nella definizione appropriata dei diversi strati, poiché ogni strato può sfruttare esclusivamente le funzionalità degli strati su cui poggia Tempi lunghi di attraversamento degli strati (passaggio di dati) per portare a termine lesecuzione di una system call

40 2.40 Sistemi Operativi a.a Approccio stratificato 4 Esempio 1 backing store Il driver della memoria ausiliaria (backing store ) dovrebbe trovarsi sopra lo scheduler della CPU, perché può accadere che il driver debba attendere unistruzione di I/O e, in questo periodo, la CPU viene sottoposta a scheduling Lo scheduler della CPU deve mantenere più informazioni sui processi attivi di quante ne possono essere contenute in memoria: deve fare uso del del driver della memoria ausiliaria

41 2.41 Sistemi Operativi a.a Approccio stratificato 5 Esempio 2 Per eseguire unoperazione di I/O, un programma utente invoca una system call che è intercettata dallo strato di I/O… …che esegue una chiamata allo strato di gestione della memoria… …che richiama lo strato di scheduling della CPU… …che la passa allopportuno dispositivo di I/O

42 2.42 Sistemi Operativi a.a Sistema operativo stratificato

43 2.43 Sistemi Operativi a.a Struttura dei sistemi microkernel 1 Quasi tutte le funzionalità del kernel sono spostate nello spazio utente Un microkernel offre i servizi minimi di gestione dei processi, della memoria e di comunicazione Scopo principale: fornire funzioni di comunicazione fra programmi client e servizi (implementati esternamente) Le comunicazioni hanno luogo tra moduli utente mediante scambio di messaggi

44 2.44 Sistemi Operativi a.a Struttura dei sistemi microkernel 2 Vantaggi: Funzionalità del sistema più semplici da estendere: i nuovi servizi sono programmi di sistema che si eseguono nello spazio utente e non comportano modifiche al kernel Facilità di modifica del kernel Sistema più facile da portare su nuove architetture Più sicuro e affidabile (meno codice viene eseguito in modo kernel) Svantaggi: Possibile decadimento delle prestazioni a causa delloverhead di comunicazione fra spazio utente e spazio kernel

45 2.45 Sistemi Operativi a.a Kernel modulari In molti degli attuali SO il nucleo è realizzato in maniera modulare Ciascun modulo implementa una componente base del kernel, con interfacce e funzioni definite con precisione Ciascun modulo colloquia con gli altri mediante linterfaccia comune Ciascun modulo può essere o meno caricato in memoria come parte del kernel, secondo le esigenze Larchitettura a moduli è simile allarchitettura a strati, ma garantisce SO più flessibili (ogni modulo può invocare funzionalità da qualsiasi altro modulo): più facili da manutenere ed evolvere

46 2.46 Sistemi Operativi a.a Approccio modulare di Solaris Lorganizzazione modulare lascia la possibilità al kernel di fornire i servizi essenziali, ma permette anche di implementare dinamicamente servizi aggiuntivi, specifici per il particolare sistema di calcolo

47 2.47 Sistemi Operativi a.a Macchine virtuali 1 macchina virtuale La macchina virtuale porta lapproccio stratificato alle sue estreme conseguenze logiche Sia lhardware che il sistema operativo vengono trattati uniformemente come hardware Una macchina virtuale realizza uninterfaccia identica alla macchina fisica sottostante Le risorse del computer fisico vengono condivise in modo che il SO crei lillusione dellesistenza di processi multipli, ciascuno in esecuzione sul proprio processore, con la propria memoria (virtuale)

48 2.48 Sistemi Operativi a.a Le risorse del computer fisico vengono condivise in modo da creare le macchine virtuali Lo scheduling della CPU può creare lillusione che ogni utente abbia un proprio processore Lo spooling e il file system possono fornire dispositivi di I/O virtuali Un normale terminale utente in time sharing funziona come console per loperatore della macchina virtuale Macchine virtuali 2

49 2.49 Sistemi Operativi a.a (a) Sistema semplice (b) Macchina virtuale Non-virtual Machine Virtual Machine Macchine virtuali 3

50 2.50 Sistemi Operativi a.a Il concetto di macchina virtuale fornisce una protezione completa delle risorse di sistema, dato che ciascuna macchina virtuale è isolata da tutte le altre Questo isolamento, tuttavia, non permette una condivisione diretta delle risorse Un sistema con macchine virtuali è un mezzo perfetto per la ricerca e lo sviluppo di sistemi operativi Lo sviluppo del sistema è effettuato sulla macchina virtuale, invece che sulla macchina fisica, così da non interferire con il normale funzionamento del sistema Il concetto di macchina virtuale è difficile da implementare per il notevole sforzo richiesto per fornire un duplicato esatto della macchina fisica Macchine virtuali 4

51 2.51 Sistemi Operativi a.a Architettura VMware

52 2.52 Sistemi Operativi a.a Java Virtual Machine 1 Java Il linguaggio di programmazione Java (1995) è un linguaggio orientato agli oggetti che, oltre a fornire una vasta libreria API, permette la definizione di una macchina virtuale class Gli oggetti si specificano con il costrutto class e un programma consiste di una o più classi bytecode Java Virtual Machine Per ognuna, il compilatore produce un file (.class) contenente il bytecode il linguaggio macchina della Java Virtual Machine (JVM), indipendente dallhardware sottostante e che viene eseguito sulla macchina virtuale I bytecode sono controllati per verificare la presenza di istruzioni che possono compromettere la sicurezza della macchina

53 2.53 Sistemi Operativi a.a Java Virtual Machine 2 La JVM rende possibile lo sviluppo di programmi indipendenti dallarchitettura e offre ai programmi scritti in Java unastrazione uniforme del sistema I programmi Java sono però più lenti dei corrispondenti programmi scritti in C (sono normalmente interpretati) JVM disponibili per Windows, Linux, Mac OS X e incorporate su vari browser, che a loro volta sono eseguiti su più piattaforme

54 2.54 Sistemi Operativi a.a Generazione del sistema operativo I sistemi operativi sono progettati per essere eseguiti su una qualunque macchina di una certa classe; il sistema deve però essere configurato per ciascun particolare sistema di calcolo Booting Booting Fase di inizializzazione del computer realizzata tramite caricamento del kernel in memoria centrale bootstrap Il bootstrap è un programma memorizzato in ROM in grado di localizzare il kernel, caricarlo in memoria ed iniziare la sua esecuzione


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