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DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE Sistemi Operativi Marco D. Santambrogio – Ver. aggiornata al 28 Dicembre 2013.

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1 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE Sistemi Operativi Marco D. Santambrogio – Ver. aggiornata al 28 Dicembre 2013

2 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONEAgenda Intro e un po di storia Qualche curiosità Accenni sul funzionamento di un SO 2

3 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE Cosa vediamo adesso… Intro e un po di storia Qualche curiosità Accenni sul funzionamento di un SO 3

4 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE 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 lIBM : 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 4

5 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONEUNIX 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 5

6 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE 6

7 *NIX 7

8 GNU Operating System 1984: Nasce il progetto GNU GNUs 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 8

9 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONELinux 1991: Nascita di Linux Linus Torvalds Si scontra in un newsgroup Usenet con il professor Andrew Tanenbaum Tanenbaum è linvetore di Minix Divieto di modifcare il codice per fini non educational e sotto approvazione dellautore Kernel monolitici Vs microkernel 9

10 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE microkernel Vs kernel modulare microkernel kernel minimale con lo stretto indispensabile ad utilizzare lhardware 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 10

11 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE Linux e la sua comunità I LUG: Linux User Group Associazioni senza fine di lucro Diffondere luso del SW Libero Diffondere luso dei SO basati sul kernel di Linux Il Linux DAY Evento per la promozione del SW libero e dei sistemi basati su Linux 11

12 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE shell di DOS 12

13 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONEDOS 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(?) l86-DOS Agosto: Microsoft Disk Operating System MS-DOS

14 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONEWindows Nov. 1983: Annuncio di Windows Nov. 1955: Windows 1.0 rilasciato 1998: Windows : Windows : Windows XP 2007: Windows Vista 2009: Windows 7 kernel ibrido microkernel fatto comunicare tramite messaggi con i restanti servizi, tutto in kernel-space 14

15 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE 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 15

16 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE 16 Time #Cores Quad core cores Dual core 1000 cores Intel Sun N Cores 8-24 cores Il mondo dellinformatica è pronto per una rivoluzione Larrabee Calcolo parallelo

17 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE Sistemi Operativi per multicore Barrelfish Operating ETH K42/Tornado IBM/Uniersity of Toronto fos: Factored Operating MIT groups.csail.mit.edu/carbon/fos Tessellation Berkeley 17

18 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE Cosa vediamo adesso… Intro e un po di storia Qualche curiosità Accenni sul funzionamento di un SO 18

19 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE In Italia…Alessandro Rubini Co-autore di Linux Device Drivers Pagina personale Intervista: Il kernel? Non è vecchio, solo complicato dombra.blogspot.com/2010/04/il-kernel- non-e-vecchio-solo-complicato.html 19

20 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE RTAI: RealTime Application Interface Patch Real Time per Linux DIAPM: Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale https://www.rtai.org/ AcOS: Autonomic Operating System for Adaptive Computing Patch Self-Aware per Linux e FreeBSD DEI: Dipartimento di Elettronica e Informazione morphone.OS Patch Self-Aware per Android DEI: Dipartimento di Elettronica e Informazione … il Politecnico di Milano

21 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE Cosa vediamo adesso… Intro e un po di storia Qualche curiosità Accenni sul funzionamento di un SO 21

22 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE Ma prima… PAUSA!!!

23 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE 23 Il sistema Operativo Il sistema operativo (SO) è uno strato software che nasconde agli utenti i dettagli dellarchitettura hardware del calcolatore Fornisce diverse funzionalità ad alto livello che facilitano laccesso alle risorse del calcolatore Supporta lesecuzione 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

24 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE 24 Il SO e la macchina reale CPU A, B, C, D RAM A B C D bus utilizzo a rotazionesuddivisione in blocchi Periferiche A, B, C, D utilizzo a rotazione

25 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE 25 Il SO e le macchine virtuali 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) CPU ARAM A OD A HD A Rete AI/O A proc. A CPU BRAM B OD B HD B Rete BI/O B proc. B CPU DRAM D OD D HD D Rete DI/O D proc. D CPU CRAM C OD C HD C Rete CI/O C proc. C bus

26 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE 26 Architettura del SO 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 dellinterfaccia utente Le prime tre funzionalità sono indispensabili per il funzionamento del sistema e pertanto costituiscono il nucleo del SO (Kernel) Programmi utente Interprete comandi File system Gestione delle periferiche Gestione della memoria Gestione dei processi Macchina fisica Kernel

27 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE 27 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 lutilizzo contemporaneo da parte di più utenti E inerentemente multiprogrammato Esempio: Linux

28 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE 28 Gestione dellinterfaccia utente Il SO fornisce un interprete dei comandi inseriti dallutente attraverso la tastiera o il mouse Linterfaccia utente può essere Testuale (esempio: DOS) Grafica (esempio: Windows) Consente linserimento di diversi comandi: Esecuzione di programmi applicativi Operazioni sulle periferiche Configurazione dei servizi del SO Operazioni sul file system (creazione, rimozione, copia, ricerca, ecc.)

29 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE 29 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 allinterno di directory (o cartelle, o cataloghi) In genere, le directory sono organizzate ad albero

30 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE 30 La struttura ad albero

31 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE 31 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 lintero cammino dalla radice dellalbero Il contesto di un utente allinterno del file system è la directory in cui correntemente si trova

32 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE 32 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

33 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE 33 Gestione dei processi Il SO multiprogrammato e multiutente si occupa di gestire lesecuzione 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 lesecuzione come se la CPU del calcolatore fosse interamente dedicata a esso

34 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE 34 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

35 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE 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 35

36 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE Ambiente di esecuzione Lambiente 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, lultima chiamata è la prima a terminare La zona di memoria di lavoro che contiene lambiente di esecuzione di un sottoprogramma è gestito con la logica di una pila (stack) Lultimo elemento inserito nello stack è il primo ad essere estratto Logica LIFO (Last In First Out) 36

37 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE 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: Lambiente locale della funzione Lindirizzo di ritorno al chiamante Funzionamento: Ad ogni attivazione viene allocato un record di attivazione Al termine dellattivazione il record viene rilasciato (larea 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() 37

38 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE Lo stack Nello stack, i record vengono allocati uno sopra laltro; il primo record dello stack è relativo allultima funzione attivata e non ancora terminata Lo stack cresce dal basso verso lalto Stack pointer: registro della CPU che contiene lindirizzo della cima della pila Una parte della RAM è destinata a contenere lo stack Stack overflow: quando larea della RAM destinata allo stack viene superata (troppi annidamenti di chiamate) Operazione di inserimento: -incremento SP -scrittura in parola indirizzata da SP Operazione di estrazione: -lettura da parola indirizzata da SP -decremento SP SP

39 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE 39 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 linserimento di dati da tastiera; in esecuzione; pronto per lesecuzione, e quindi in attesa di accedere alla CPU.

40 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE Stato di un processo (1) 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 40 Processo in esecuzione Processo pronto Processo in attesa Inizio esecuzione Primo processo pronto - Fine quanto di tempo - Interruzione esterna Interruzione interna Evento esterno atteso - Fine esecuzione - Abort per errore

41 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE Stato di un processo (2) 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 41 Processo in esecuzione Processo pronto Processo in attesa Inizio esecuzione Primo processo pronto - Fine quanto di tempo - Interruzione esterna Interruzione interna Evento esterno atteso - Fine esecuzione - Abort per errore P1P2

42 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE Stato di un processo (3) Il processo in esecuzione passa in stato di attesa se richiede operazioni di I/O (interruzione interna) Corrisponde alla esecuzione dellistruzionechiamata supervisore (SuperVisor Call, SVC) 42 Processo in esecuzione Processo pronto Processo in attesa Inizio esecuzione Primo processo pronto - Fine quanto di tempo - Interruzione esterna Interruzione interna Evento esterno atteso - Fine esecuzione - Abort per errore P1P2

43 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE Stato di un processo: cambio contesto Cambiamento di contesto: Salvare il contesto di P1 nel suo descrittore di processo Il processore è ora libero, un altro processo passerà in esecuzione 43 Processo in esecuzione Processo pronto Processo in attesa Inizio esecuzione Primo processo pronto - Fine quanto di tempo - Interruzione esterna Interruzione interna Evento esterno atteso - Fine esecuzione - Abort per errore P1P2

44 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE Stati di un processo (5) Quando loperazione 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 44 Processo in esecuzione Processo pronto Processo in attesa Inizio esecuzione Primo processo pronto - Fine quanto di tempo - Interruzione esterna Interruzione interna Evento esterno atteso - Fine esecuzione - Abort per errore P1P2

45 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE Stato di un processo: Preemption 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 45 Processo in esecuzione Processo pronto Processo in attesa Inizio esecuzione Primo processo pronto - Fine quanto di tempo - Interruzione esterna Interruzione interna Evento esterno atteso - Fine esecuzione - Abort per errore P1P2

46 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONEPausa 46

47 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE 47 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

48 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE 48 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 M Il SO e la gestione della memoria

49 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE 49 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 2 N 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) = 2 10 byte MB (Megabyte) = 2 20 byte GB (Gigabyte) = 2 30 byte

50 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE 50 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

51 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE Fonti per lo studio + Credits Fonti per lo studio Il Sistema di elaborazione, Slide Info B, M. D. Santambrogio Informatica arte e mestiere, S. Ceri, D. Mandrioli, L. Sbattella, McGrawHill Capitolo 2 Introduzione ai sistemi informatici, D. Sciuto, G. Buonanno, L. Mari, 4a Ed, McGrawHill Capitolo 1, 2, 5 The Art & Craft of Computing, S. Ceri, D. Mandrioli, L. Sbattella, Addison-Wesley Capitolo 2 Approfondimenti Struttura e progetto dei calcolatori, D. A. Patterson, J. Hennessy, 3a Ed, Zanichelli Capitolo 1, 2 Credits Prof. G. Buonanno e D. Sciuto, LIUC 51

52 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE 52Rilocazione Rilocazione: meccanismo di trasformazione da indirizzo virtuale (detto anche rilocabile) a fisico Statica: i nuovi indirizzi vengono calcolati al caricamento del programma in memoria Dinamica: ogni indirizzo viene calcolato al momento durante lesecuzione Registro base Indirizzo virtuale (rilocabile) + Indirizzo calcolato (fisico)

53 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE 53 MEMORIA PC 3 RB 1000 PROCESSORE processo in esecuzione indirizzi virtualiindirizzi fisici Registro base Rilocazione: esempio

54 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE MEMORIA Processo P Problema della frammentazione Sistema Operativo Processo Q Processo R Processo S MEMORIA Sistema Operativo Processo P Processo Q Processo R Processo S (1) Processo S (2)

55 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE 55Paginazione Si rinuncia ad avere una zona contigua della memoria fisica per ciascun processo La memoria virtuale del programma viene suddivisa in porzioni (pagine virtuali) di lunghezza fissa (pot. di 2, e.g., 4K) La memoria fisica viene divisa in pagine fisiche della stessa dimensione Le pagine virtuali di un programma vengono caricate in altrettante pagine fisiche, non necessariamente contigue

56 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE MEMORIA VIRTUALE Q MEMORIA VIRTUALE P MEMORIA FISICA dimensione pagina Paginazione: esempio

57 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE 57 Struttura degli indirizzi virtuali Un indirizzo virtuale è costituito da un numero di pagina virtuale (NPV) e da uno spiazzamento (offset) allinterno della pagina NPV offset indirizzo virtuale

58 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE 58 Struttura degli indirizzi fisici E del tutto analoga: si hanno un numero di pagina fisica (NPF) e da uno spiazzamento (offset) allinterno della pagina NPF offset indirizzo fisico

59 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE Traduzione dal virtuale al fisico NPV offset indirizzo virtuale NPF offset indirizzo fisico traduzione le pagine virtuali e quelle fisiche hanno la stessa dimensione, quindi loffset è lo stesso

60 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE 60Esempio Spazio di indirizzamento virtuale: indirizzi da 32 bit 2 32 indirizzi Dimensione di pagina: 4K parole (o celle) 2 12 byte (1 cella occupa 1 byte) Offset numero di bit necessari per indirizzare una cella all'interno di una pagina = log 2 (dimensione_pagina)=12 Numero di pagine dello spazio di indirizzamento virtuale 2 32 / 2 12 = 2 20 pagine Spazio di indirizzamento fisico: 4M parole (o celle) 2 22 indirizzi Numero di pagine dello spazio di indirizzamento fisico 2 22 / 2 12 = 2 10 pagine

61 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE 61 Esempio (segue) NPV offset indirizzo virtuale NPF offset indirizzo fisico 12bit 20bit 10bit12bit

62 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE 62 La tabella delle pagine E il meccanismo più semplice per la traduzione da virtuale a fisico NPV = 0 offset indirizzo virtuale NPF offset indirizzo fisico NPVNPF Cè una tabella delle pagine per ciascun processo

63 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE 63 Memory Management Unit Per accelerare la traduzione da NPV a NPF si ricorre allora alla MMU La MMU è una memoria particolarmente veloce (memoria associativa) dalle dimensioni ridotte, contenente le informazioni per la traduzione da NPV a NPF delle pagine più utilizzate Visto che gli NPV e gli NPF si riferiscono alle pagine di un processo, ogni volta che il processo in esecuzione cambia la MMU dovrebbe essere tutta riscritta Per evitare ciò si aggiunge una colonna che dice a quale processo appartengono le pagine e un registro che dice qual è il processo attualmente in esecuzione

64 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE 64 Pagine residenti e non Durante lesecuzione di un programma solo un certo numero delle sue pagine virtuali è caricato in altrettante pagine fisiche Tali pagine sono dette pagine residenti A ogni accesso alla memoria si controlla che allindirizzo virtuale corrisponda una pagina residente, altrimenti si produce un interrupt di segnalazione di errore detto page-fault Il processo viene sospeso in attesa che la pagina richiesta venga caricata in memoria, eventualmente scaricando su disco una pagina già residente per liberare lo spazio necessario

65 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE 65 La memoria cache Obiettivo: fornire agli utenti una memoria grande e veloce fornire al processore i dati alla velocità con cui è in grado di elaborarli Problema: Il tasso di crescita nella velocità dei processori non è stato seguito da quello delle memorie Tempo di accesso alle SRAM (Static Random Access Memory): ns al costo di $100 - $250 per Mbyte. Tempo di accesso alle DRAM (Dynamic Random Access Memory): ns al costo di $5 - $10 per Mbyte. Tempo di accesso al disco: da 10 a 20 million ns al costo di $ $0.20 per Mbyte. Il problema della memoria: costo vs. prestazioni

66 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE 66 Prestazioni di processori e cache µProc 60%/anno (2X/1.5yr) DRAM 9%/anno (2X/10yr) Tempo

67 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE Gerarchia di memoria Tipicamente costituita da 1. registri contenuti nella CPU (qualche KB) 2. cache (da circa 32KB a circa 4096KB) 3. memoria principale (da circa 512MB a qualche GB) 4. dischi fissi (da qualche centinaio di GB a qualche TB) 5. nastri magnetici e dischi ottici (da qualche centinaio di GB a qualche TB per ogni supporto) Man mano che ci si sposta verso il basso nella gerarchia aumenta il valore dei parametri fondamentali: aumenta il tempo di accesso; aumenta la capacità di memorizzazione; ma diminuisce il costo per bit.

68 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE Una gerarchia di memoria

69 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE Caratteristiche dei diversi livelli LivelloCapacitàTempo di accessoTransfer rate (GB/s) Registri~ 1 KB~ 0.2 ns (1 ciclo di clock)– Cache I livello~ 32 KB~ 0.4 ns (2/4 cicli di clock)– Cache II livello~ 1/2 MB~ 1/2 ns (5/10 cicli di clock)~ 100 Cache III livello~ 2/8 MB~ 5 ns~ 50 Memoria centrale~ 2/8 GB ~ 50 ns (1ª parola richiesta) ~ 10 ns (parole successive) ~ 5/10 Dischi interni> 300 GB~ 10 ms0.15/0.6 Dischi esterni> 300 GB~ 10 ms~ 0.05

70 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE 70 Località E la proprietà fondamentale dei programmi che rende possibile sfruttare lorganizzazione gerarchica della memoria per incrementarne le prestazioni Località: in ogni istante di tempo un programma accede a una parte relativamente piccola del suo spazio di indirizzamento Località temporale: se un dato viene referenziato in un dato istante, è probabile che lo stesso dato venga nuovamente richiesto entro breve Località Spaziale: Se un dato viene utilizzato in un dato istante, è probabile che dati posizionati in celle di memoria adiacenti vengano

71 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE 71Cache Memoria al livello superiore della gerarchia Sfruttare il principio di località dei programmi e tenere in memoria cache i dati utilizzati più di recente Obiettivo: fornire dati al processore in uno o due cicli di clock Memoria cache: veloce nei tempi di accesso ma di dimensioni ridotte

72 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE 72 Gerarchia di memoria Si considerino solo due livelli di gerarchia Il processore richiede un dato al sistema di memoria: La richiesta viene prima inviata al livello di memoria superiore (più vicino al processore) Se il dato non è presente nel livello superiore (fallimento della richiesta) la ricerca viene effettuata nel livello inferiore Livello inf di memoria Livello sup. di memoria Al Processore Dal Processore blocco X blocco Y

73 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE 73 Gerarchia di memoria: definizioni Hit (successo): dati presenti in un blocco del livello superiore (esempio: Blocco X) Hit Rate (% di successo): numero di accessi a memoria che trovano il dato nel livello superiore sul numero totale di accessi Hit Time (tempo di successo): tempo per accedere al dato nel livello superiore della gerarchia

74 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE 74 Gerarchia di memoria: definizioni Miss (fallimento): i dati devono essere recuperati dal livello inferiore della memoria (Blocco Y) Miss Rate (% di fallimento) = 1 - (Hit Rate) Miss Penalty (tempo di fallimento): tempo per determinare il MISS + tempo necessario a sosituire un blocco nel livello superiore + tempo per trasferire il blocco al processore tipicamente si ha: Hit Time << Miss Penalty Tempo medio di accesso in presenza di memoria cache: semplicemente la media pesata con le probabilità HitTime*HitRate + MissRate*MissPenalty

75 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE 75 Cache e principio di località Le memorie cache sfruttano il principio di località spaziale trasferendo dal livello inferiore della gerarchia più dati di quanti non ne siano stati strettamente richiesti (blocco o linea di cache) La località temporale viene sfruttata nella scelta del blocco da sostituire nella gestione di un fallimento (es: sostituire il blocco a cui si è fatto accesso meno di recente)


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