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Cosè un sistema operativo? A cosa serve? Come svolge il suo lavoro? CAPITOLO III SISTEMI OPERATIVI Corso di Didactics of Computer Science Università degli.

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1 Cosè un sistema operativo? A cosa serve? Come svolge il suo lavoro? CAPITOLO III SISTEMI OPERATIVI Corso di Didactics of Computer Science Università degli Studi di Trento di Elisabetta Trentin matricola

2 Indice della presentazione Definizione di sistema operativo e qualche esempio di sistema operativo Breve storia dellevoluzione dei sistemi operativi dagli anni 50 ad oggi Curiosità: chi è Linus Torvalds? Larchitettura del sistema operativo: dal software al kernel Il coordinamento delle attività della macchina: boot strapping, scheduler e dispatcher La sicurezza del computer: attacchi dallesterno e dallinterno. Curiosità: Che cosè lhacking? 2

3 Definizione di SO Un sistema operativo (SO) è un insieme di programmi (software) che interagiscono da intermediari tra lutente e le risorse di un calcolatore. Quattro sono le caratteristiche principali: 1. controlla linsieme delle operazioni su un computer 2. fornisce i mezzi con cui un utente può memorizzare e recuperare i file 3. fornisce uninterfaccia con cui lutente può eseguire i programmi 4. fornisce lambiente necessario a eseguire i programmi richiesti 3

4 Un paragone.. - Hardware: struttura di una casa (i muri, il pavimento, le pareti) - SO: fornisce i servizi di base che rendono la casa abitabile (luce, acqua, gas, telefono) - Programmi applicativi: l'arredamento. Uno scrittore avrà bisogno di una scrivania (programmi di videoscrittura), chi ama la musica vorrà un impianto stereo (programmi per ascoltare musica), per un bambino servirà la stanza dei giochi (programmi per giocare) e così via.. Fonte:http://pasticcietpasticcini.blogspot.it/2009/11/una-casa- meta.html 4

5 Esempi di SO per computer Windows (Microsoft) Mac (Apple) Ubuntu (GNU/Linux ) Quali sono i criteri di scelta? Cosmetica vs pacchetti offerti, filosofia di progettazione, sicurezza e stabilità. Perché usare Linux? Ma senza eliminare Windows.. Fonte:http://www.internetutile.org/home/windows- che-funziona/ Fonte: / 5

6 Levoluzione del SO Sito che racconta levoluzione dell hardware dei computer – 1960: rivoluzionaria invenzione del transistor (dispositivi semiconduttori usati nellelettronica digitale per amplificare il segnale in entrata o svolgere il ruolo di interruttori) - gli elaboratori (o mainframe) costruiti e venduti in serie, - unici acquirenti: Centri di Calcolo, Università, banche - calcolatori erano molto inaffidabili - le valvole che li componevano si rompevano spesso - non esisteva ancora il concetto di SO - il programma da eseguire veniva inserito ad ogni esecuzione in codice binario attraverso dei primitivi lettori di schede perforate e dopo alcune ore il risultato veniva inviato ad una stampante Fonte:http://chibi.foru mcommunity.net/?t=

7 Levoluzione del SO Per eseguire dei programmi o job un programmatore doveva: 1. Scrivere il proprio programma su carta 2. Trasferirlo su schede 3. Caricarlo nel computer 4. Attendere il termine dell'esecuzione e la stampa del risultato Tale operazione era molto dispendiosa in termini di tempo e non permetteva di sfruttare la macchina durante le lunghe fasi di caricamento di dati e programmi: manca DMA (direct memory access) Fonte: J.Glenn Brookshear, (2012) Computer Science An Overview, 11 th Edition, Addison Wesley 7

8 Fonte: 8

9 Levoluzione del SO Soluzione: sistema batch (a lotti) lidea di base è dividere il job (istruzioni codificate secondo il job control language JCL) in 3 fasi : 1. caricamento dei dati (coda FIFO, LIFO) 2. calcolo 3. stampa Necessaria la presenza di un operatore che legga ed esegua le istruzioni Nessuna possibilità di modifica delle operazioni in corso il che va bene per attività decise in anticipo (ad esempio elaborazione buste paga) ma non per sistemi prenotazione, computer games etc Fonte: J.Glenn Brookshear, (2012) Computer Science An Overview, 11 th Edition, Addison Wesley 9

10 Levoluzione del SO 1960: Si riscontra la necessità di un dialogo continuo e veloce. Sviluppo dei Processi interattivi: è la macchina che si adegua ai tempi dellutente e non il contrario Processi Real Time: computer è obbligato a eseguire gli ordini entro un tempo di scadenza Time-sharing (tecnica della multiprogrammazione) Dati i costi ingenti si vuole soddisfare più utenti allo stesso tempo. Vedi la figura. Fonte: J.Glenn Brookshear, (2012) Computer Science An Overview, 11 th Edition, Addison Wesley 10

11 Levoluzione del SO Programmi vengono salvati nella memoria di massa e si eliminano le schede perforate con la conseguente riduzione degli spazi occupati Nasce il ruolo dell amministratore del sistema: controlla le attività dei vari account e delle nuove componenti installate, imposta i limiti della memoria Svanisce il ruolo dellintermediario tra lutente e la macchina (ad oggi siamo noi i responsabili delle nostre azioni sui nostri pc) E possibile connettere computer tra qualsiasi parte del mondo grazie al computers network per gestire risorse su più macchine. Nascono i multiprocessori: è possibile assegnare compiti diversi a processori diversi per accelerare i tempi. Problemi di load balancing (assegnare le attività ai processori in maniera efficiente) e scaling (suddividere le mansioni in numero compatibile al numero di processori disponibili) 11

12 Levoluzione del SO 1969 : UNIX fu progettato da un gruppo di ricercatori della AT&T, tra cui erano presenti Ken Thompson, Dennis Ritchie e Douglas Mcllroy presso i Bell Laboratories, NJ. Si ispirò a Multics, e divenne un sistema molto interattivo, affidabile e ricco di funzionalità, tanto che tuttora domina il mercato delle workstation (tipologia di computer non destinato a specifici compiti) Furono sviluppate diverse varianti di UNIX, come BSD (Berkley Software Distribution)e Minix (usato in ambito didattico) e successivamente (sulla base di MINIX e UNIX) l'ormai famosissimo Linux 12

13 Chi ha inventato Linux? 1991: "Hello everybody out there [...] i'm doing a (free) operating system, just a hobby, won't be big and professional [...]". Fonte: ogni-lunga-marcia-inizia-con-un-piccolo.html La popolarità di Torvalds ebbe inizio a seguito di una disputa di carattere tecnico con il professor Andrew Tanenbaum che aveva realizzato per scopi didattici Minix, un SO simile a Unix che veniva distribuito con il codice sorgente ma vietava di apportare modifiche al codice senza l'autorizzazione dell'autore. L'idea di Tux, la mascotte di Linux, è attribuita alla moglie. Linus Torvalds, studente finlandese delluniversità di Helsinki, è colui che ha iniziato lo sviluppo del kernel Linux. Il sistema operativo GNU/Linux, é entrato nella storia come valida alternativa ai sistemi operativi commerciali a licenza chiusa (come Microsoft Windows, Mac OS X); a differenza di questi ultimi sistemi, infatti, Linux è software libero rilasciato sotto licenza General Public License GPL (chiunque può accedere al codice sorgente del SO, modificarlo, usare l'eseguibile per ogni scopo e copiare legalmente tale software) 13

14 Levoluzione del SO 1984: Apple prende in prestito questa idea e lancia Mac OS, primo SO per personal Computer Xerox lancia il primo SO con interfaccia grafica 1985: Microsoft commercializza Windows Apple era uno dei pochi che credeva nell'idea Personal Computer: un computer ad uso generico le cui dimensioni, prestazioni e prezzo di acquisto lo rendano adatto alle esigenze del singolo individuo. All'epoca era difficile immaginare cosa potesse farsene una persona di un computer in casa, figuriamoci di un computer per quasi ogni componente della stessa famiglia Anni '80: la tecnologia LSI (large scale integration) porta alla costruzione di chip integrati ed all'abbattimento dei prezzi dell'hardware, facendo sorgere l'era del personal computer 14

15 Levoluzione del SO Oggigiorno è disponibile una grande varietà di sistemi di elaborazione dalle più disparate dimensioni e performance a costi contenuti : SO per cellulari: Android, Apple iOS, BlackBerry,Symbian OS. smartphone cellulare intelligente: dispositivo portatile che abbina funzionalità di telefono cellulare a quelle di gestione di dati personali. sistemi embedded (incorporati): progettati appositamente per una determinata applicazione ovvero non riprogrammabili. Esempi: sportelli bancomat, apparecchi POS, decoder digitali, elettrodomestici, dispositivi medici, navette spaziali.. Forse un giorno riusciremo ad avere dei computer pesanti solo 1 tonnellata e grandi qualche metro quadrato. (Dipendente IBM verso gli anni 50) 15

16 Analisi dellarchitettura del SO Programmi utili per lutente: -Fogli di calcolo -Database -Editoria -Giochi Programmi non inclusi ma che utente sceglie in base ai propri gusti: -compressione dati -multimedialità -chat -creazione cd Fornisce infrastrutture richieste dallapplication software per regolarne attività Fonte: J.Glenn Brookshear, (2012) Computer Science An Overview, 11 th Edition, Addison Wesley 16

17 Interfaccia Permette la comunicazione tra le azioni richieste dallutente e il computer Quelle più datate (shell) comunicavano tramite messaggi sullo schermo inseriti con la tastiera Quelle più moderne GUI (graphical user interface) permettono la manipolazione degli oggetti rappresentati da icone tramite il mouse, dispositivi touch o puntatori grafici Qualche SO permette di sceglierne fra varie Una componente importante è il Windows Manager (WM) che riserva porzioni dello schermo (finestre) per visualizzare le applicazioni in uso. E il WM che reagisce nel punto corretto e con lapplicazione selezionata quando clicchiamo il mouse. 17

18 Kernel Contiene le informazioni per svolgere le funzioni di base al momento dellinstallazione del SO: Componenti del kernel (nucleo): File manager (contiene lannotazione di tutti i file salvati nella memoria, dove sono e quali utenti possono accedervi. Per convenienza permette un organizzazione gerarchica delle cartelle espressa dal percorso) Driver delle periferiche: unità del software che comunicano con stampanti, monitor, etc Memory manager: incaricata di coordinare luso della memoria principale quando i programmi vengono eseguiti. Quando lo spazio di memoria richiesta eccede lo spazio libero crea lillusione di avere dello spazio di memoria addizionale: Paging. E possibile caricare i blocchi di memoria solo quando necessario tramite una memoria virtuale poiché i programmi raramente utilizzano tutte le parti del loro codice contemporanemante Scheduler: fa avanzare più processi parallelamente interrompendoli quando opportuno ed eseguendo un cambio di contesto (switch) Dispatcher:controlla il tempo per queste attività Fonte: J.Glenn Brookshear, (2012) Computer Science An Overview, 11 th Edition, Addison Wesley 18

19 Windows Manager e interfaccia Mac OS e DOS Fonte: emergono-altre-novita-196 windows-manager 19

20 Cosa succede allaccensione della macchina? Procedura Boot strapping (booting) : SO viene trasferito dalla memoria di massa dove è memorizzato permanentemente alla memoria principale che è volatile quindi vuota ad ogni accensione. Dopo il booting è il SO che controlla lattività della macchina Problema: la memoria principale essendo volatile perde tutti i dati ad ogni arresto. Soluzione: si inserisce un programma chiamato Boot Loader che fa eseguire alla CPU le istruzioni iniziali nella ROM (read only memory) porzione di memoria principale non alterabile. Fonte: J.Glenn Brookshear, (2012) Computer Science An Overview, 11 th Edition, Addison Wesley 20

21 Cosa succede allaccensione della macchina? Domanda: perché non caricare tutto il SO sulla memoria principale ed evitare il booting? Risposta: Non sarebbe una scelta efficiente in termini di occupazione spazio e non sarebbero possibili gli aggiornamenti di cui un SO necessita ai fini della sicurezza. Due componenti importanti: Firmware Update: aggiorna il SO Firmware system: svolge le attività fondamentali di I/O prima che il SO diventi funzionante. Include la BIOS (basic input output system) 21

22 Il SO come coordina lattività della macchina? Differenza tra programma (spartito) ed esecuzione di un programma (suonatore) Processo: attività di eseguire un programma sotto il controllo della CPU Stato di un processo: stato corrente dellattività eseguita identificato dai valori del registro della CPU e dalle relative celle assegnate La gestione dei processi è affidata a: - Scheduler: sa quali processi sono presenti nel computer, introduce quelli da eseguire e cancella quelli eseguiti. Per tenere traccia di tutte le informazioni usa una memoria chiamata tavola dei processi. Ogni volta che è richiesta lesecuzione di un programma crea una nuova entrata per quel processo nella tavola assegnandogli una priorità: vi sono due tipi di priorità, processi pronti o in attesa - Dispatcher: controllo lesecuzione e i tempi dei processi scheduled, indispensabile per la tecnica della multiprogrammazione 22

23 Multiprogrammazione tra i processi A e B Dell ordine di microsecondi: 10 6 s Azionato da un circuito a tempo interrompe lavoro CPU che salva posizione corrente Fondamentale è la capacità si saper riprendere lavoro e ricreare lambiente Esempi: Click, tasto, power Fonte: J.Glenn Brookshear, (2012) Computer Science An Overview, 11 th Edition, Addison Wesley 23

24 Sicurezza del sistema informatico Vogliamo un SO ben progettato, affidabile, protetto e sicuro (ad esempio evitare danneggiamento file o perdita dati causa crash del sistema). Di questo se ne occupa lIngegneria del software. Per evitare attacchi esterni è conveniente: - se il computer è utilizzato da più persone servirsi di account con username e password (procedura Login), - creazione del ruolo dellamministratore: account che detiene privilegi speciali come ad esempio il poter monitorare il comportamento degli altri utenti e modificare i pacchetti del software - sviluppo di Auditing software: segnalano comportamenti insoliti rispetto alle azioni svolte dallutente in genere o vari tentativi errati di inserimento password Attenzione agli Sniffing software: memorizzano le attività svolte dallutente e le riportano a un intruso Il rischio principale resta la noncuranza degli utenti che usano password troppo facili come nomi o date, non le cambiano mai e le passano tra amici. Un sito web per creare password robuste: 24

25 Sicurezza del sistema informatico Una volta ottenuto laccess0 come amministratore si possono esplorare tutte le informazioni contenute e inserire software distruttivi. Ad esempio si può indurre il Memory Manager a permettere accessi fuori dallarea assegnata occupando spazi di altri programmi, se un processo diventa capace di alterare gli intervalli di tempo che regolano la multiprogrammazione allora è in grado di dominare la macchina intera, etc.. Protezione da attacchi interni: oggi le CPU sono dotate di meccanismi per sventare tali attacchi, ma è necessario continuare a lavorare in questo settore! CPU ha una modalità privilegiata (istruzioni limitate) e una non privilegiata Il tentativo di svolgere unistruzione privilegiata quando la CPU è in modalità non privilegiata causa un arresto. Allaccensione è in modalità privilegiata, dopo il booting e allinizio di ogni time slice è in modalità non privilegiata così da permettere gli arresti 25

26 Che cosè lhacking? La pirateria informatica Un video (in inglese) che ce lo spiega in tre minuti: Hacker: un esperto informatico con ottime capacità d'uso del pc, che si diverte nell'ampliamento delle sue conoscenze. Si differenziano in white hat e black hat (dai film western) White hat: crede che la rete internet sia un grande mezzo per permettere la comunicazione di notizie in tutto il mondo da parte di tutti e s'impegna nella difesa d'integrità di questo strumento. Ad esso contrapposto, il Black hat o cracker. Molti hacker tentano di convincere l'opinione pubblica che gli intrusi che entrano all'interno dei sistemi informatici senza autorizzazione con l'unico scopo di causare danno dovrebbero essere chiamati cracker piuttosto che hacker, ma l'uso errato permane nel vocabolario comune della gente. 26

27 Che cosè lhacking? La pirateria informatica Fonte: di-anonymous-al-cnaipic#.T50xHdUZf6s Chi è Anonymous e cosa fa? 27

28 Bibliografia J.Glenn Brookshear, (2012) Computer Science An Overview, 11 th Edition, Addison Wesley U. Erra, (2009) Dispensa sui sistemi operativi, Corso di laurea in Informatica, Università degli studi della Basilicata 28

29 Vi ringrazio per lattenzione! 29


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