Il Software Programmare direttamente la macchina hardware è molto difficile: l’utente dovrebbe conoscere l’organizzazione fisica del computer e il suo linguaggio macchina; un programma dipenderebbe strettamente dalla struttura hardware e ogni piccola differenza hardware comporterebbe una riscrittura del programma stesso.

Questo non è accettabile, è necessario disporre di un meccanismo per: astrarre dall’organizzazione fisica della macchina usare nello stesso modo, o in modo molto simile, macchine leggermente diverse dal punto di vista hardware o, al limite, macchine con hardware molto diverso interagire in modo semplice con la macchina; programmare ad alto livello la macchina; inoltre vogliamo programmi applicativi per svolgere diversi compiti (videoscrittuta, fogli di calcolo, database, etc…)

Nei moderni sistemi di elaborazione questi obiettivi vengono raggiunti grazie alla definizione di macchine virtuali che vengono realizzate al di sopra della macchina hardware reale HW macchina virtuale Utente

Macchine Virtuali Ogni macchina reale ha un suo linguaggio macchina L0 le cui istruzioni sono direttamente eseguibili dai circuiti elettronici (HW) Al di sopra di questo linguaggio è possibile definire una gerarchia di linguaggi Li e fornire delle regole per tradurne le istruzioni in opportune sequenze di istruzioni in linguaggio macchina L’insieme di queste nuove istruzioni definisce una macchina virtuale in quanto non esiste fisicamente ma viene realizzata mediante il software La macchina virtuale si occupa della traduzione delle istruzioni al livello Li nell'opportuna sequenza di istruzioni di livello Li-1 che realizza la stessa funzione

Machine virtuali Utente Macchina virtuale N - sistema di comandi LN Interfaccia Macchina virtuale N - sistema di comandi LN Interprete dei comandi Macchina virtuale 1 - sistema di comandi L1 Interprete dei comandi Hardware - Linguaggio macchina L0

Il software fornisce: 1. Un sistema di interazione semplice con la macchina 2. Linguaggi ad alto livello per programmare la macchina; 3. Programmi applicativi per svolgere diversi compiti (videoscrittuta, fogli di calcolo, database, etc…)

1. Esempio esecuzione di un comando virtuale supponiamo che l'utente voglia stampare un documento doc1 (un file). A livello fisico questa operazione è complessa e richiede operazioni di trasferimento dati dal disco alla stampante (via memoria principale) La macchina virtuale potrebbe fornire all'utente un semplice comando di stampa del tipo: stampa doc1 mediante il quale può richiedere la stampa delle informazioni contenute nel file di nome doc1

La macchina virtuale deve innanzitutto verificare se si tratta di un comando valido Poi tradurlo nell’opportuna sequenza di istruzioni a basso livello per la macchina fisica Grazie a questo livello software si può astrarre dalle caratteristiche fisiche della macchina e della periferica (la stampante) Si può anche fare in modo che macchine differenti siano usabili in modo simile: si tratta, infatti, di costruire al di sopra delle diverse macchine fisiche la stessa macchina virtuale Per ogni comando della macchina virtuale si dovranno però avere diversi programmi di traduzione, uno per ogni tipo di hardware

2. Linguaggi di programmazione Un programma scritto in un linguaggio di programmazione è costituito da una sequenza di istruzioni ad alto livello strutturate in modo complesso Compilatore: traduce il programma intero in un insieme di istruzioni macchina il programma tradotto si chiama (file) eseguibile Interprete: traduce una istruzione per volta del linguaggio in una sequenza di istruzioni macchina e le esegue

Esempio di Programma in linguaggio C che calcola la funzione fattoriale #include <stdio.h> long int fattoriale(int n) {if (n == 0 || n == 1) return 1; else return n * fattoriale(n-1); } main() { int x; printf("dimmi un numero\n"); scanf("%d", &x); printf("fattoriale di %d = %d\n", x, fattoriale(x));

Compilazione Il programma è contenuto in un file fatto.c fatto.c viene compilato mediante un programma compilatore (in questo caso gcc) gcc produce un eseguibile a.exe Il programma eseguible a.exe può essere eseguito

Software di base Strumenti per l’uso di linguaggi ad alto livello: Interpreti e compilatori Strumenti per l’esecuzione di programmi Sistema Operativo: insieme di programmi che interagiscono e cooperano tra di loro per realizzare due obiettivi fondamentali: gestire efficientemente il computer e le sue periferiche, cercando di sfruttare al massimo tutte le componenti hardware creare un ambiente virtuale per facilitare l'interazione uomo-macchina

Compiti del Sistema operativo Configurazione e accensione macchina Gestione del processore Gestione della memoria principale Gestione di informazione in memoria secondaria (File System) Gestione delle periferiche Interazione utente macchina: interfaccia e interprete comandi Protezione dei dati (sicurezza)

Esempio di esecuzione di un comando da parte del sistema operativo Eseguiamo da una finestra MS-DOS un comando come date: Il comando provoca l’esecuzione di una decina (o anche più) di funzionalità del S.O. Le operazioni effettuate provocano una serie di eventi in cui vengono coinvolte sia risorse hardware che risorse software Il coordinamento e la gestione delle varie risorse viene effettuato dal Sistema Operativo

Esempio MEMORIA CENTRALE dat BUFFER Disco rigido listener Monitor file manager terminal driver 148.608.043.200.010 disk driver timer BUFFER Tastiera Ogni carattere dato in input dalla tastiera viene ricevuto dal terminal driver che lo invia al monitor per la visualizzazione

Esempio MEMORIA CENTRALE 01/04/03 BUFFER date Disco rigido listener Monitor file manager terminal driver 148.608.043.200.104 disk driver BUFFER timer Tastiera Il programma date tramite il terminal driver visualizza sul monitor la data

Struttura del sistema operativo nucleo gestione memoria processore, risorse interfaccia comandi

Tipi di sistemi operativi Esistono diversi tipi di sistemi operativi per diverse classi di computer Distinzione fondamentale sistemi mono-utente sistemi multi-utente

Il Sistema Operativo Sistemi mono-utente pensati per Personal Computer IBM PC - Compatibili (DOS - Windows) Macintosh Due diversi tipi di interazione utente/computer: interazione testuale (es. MS-DOS per PC-IBM) interazione grafica (es. Macintosh, Windows 95-98-2000)

Sistemi operativi multi-utente: UNIX (Workstation, PC: LINUX) Utilizzato per computer collegati in rete supporta varie interfacce grafiche (a finestre) Windows NT

Avviamento del computer Fase di bootstrap: Verifica delle risorse hardware e inizializzazione dei programmi relativi di gestione diagnostica caricamento e mantenimento del sistema operativo

BIOS (Basic Input-Output System) E’ la parte piu’ interna del SO risiede su un chip di memoria RAM permenente (e ROM) gestisce direttamente le risorse hardware (terminal driver) gestisce anche il caricamento (avviamento) del sistema operativo (ad es. Windows o DOS)

Gestione del processore e dei processi Il processore è la componente più importante di un sistema di elaborazione e pertanto la sua corretta ed efficiente gestione è uno dei compiti principali di un sistema operativo Il ruolo del processore è quello di eseguire programmi Si chiama processo un programma in esecuzione

Processore e processi La gestione del processore è in modo: mono-tasking: esegue un processo per volta (MS-DOS) multi-tasking: esegue più processi contemporaneamente (Windows varie versioni dal 95, Macintosh, UNIX)

Limite del mono-tasking qualunque processo alterna fasi di esecuzione a fasi in cui è bloccato in attesa di qualche evento esterno Un processo può essere in attesa che sia terminata un’operazione di input di dati oppure in attesa di poter usare una risorsa in quel momento occupata mentre il processo è bloccato in attesa di eventi esterni, il processore rimane inattivo, in uno stato chiamato idle, e risulta pertanto sotto-utilizzato

I tempi di lavoro delle periferiche di input/output, o addirittura i tempi di reazione umani sono maggiori di molti ordini di grandezza della velocità del processore (quindi del tempo in cui un processo è in esecuzione)

Multi-tasking Come è possibile eseguire più programmi contemporaneamente sullo stesso processore? Ad ogni istante vi è un solo processo attivo Il processore alterna l’esecuzione dei vari programmi Il tempo di lavoro della CPU viene suddiviso tra i vari programmi Se l'alternanza tra i processi è frequente (ad es.10 millisecondi), l'utente ha l'impressione che l'esecuzione dei programmi sia simultanea

A livello macroscopico si ha quindi l'impressione della contemporaneità, mentre a livello microscopico si ha una semplice alternanza sequenziale molto veloce Il tempo di esecuzione, cioè il tempo che intercorre tra l'inizio e la fine del processo, risulta aumentato rispetto al caso mono-tasking a causa dell’alternanza con gli altri processi

in esecuzione, quando sta utilizzando il processore; Un processo può trovarsi in tre diversi stati: in esecuzione, quando sta utilizzando il processore; in attesa (bloccato), quando è in attesa del verificarsi di un evento esterno (terminazione di un’operazione di input/output o altro) pronto, quando è potenzialmente in condizione di utilizzare il processore che è occupato da un altro processo

Gestione del processore e dei processi I/O terminato o risorsa disponibile in_esecuzione pronto in_attesa creazione terminazione richiesta I/O o risorsa scambio esecuzione

Gestione della memoria principale Nel caso multi-tasking la memoria deve essere condivisa da piu’ programmi la memoria viene suddivisa in blocchi, ad ogni programma viene assegnato un certo numero di blocchi (non necessariamente contigui) di memoria Meccanismi di partizione: paginazione: blocchi di dimensione costante: segmentazione: blocchi di dimensione variabile

Indirizzi fisici e indirizzi logici indirizzi logici: gli indirizzi presenti nei programmi indirizzi fisici: gli indirizzi RAM assegnati al programma quando viene caricato dal disco Per poter essere caricato a blocchi il programma viene suddiviso in blocchi logici e il SO si occupa di assegnare a ciascun blocco logico un blocco fisico trasformando gli indirizzi logici a quelli fisici

Corrispondenza tra blocchi logici e fisici RAM P1/2 P2/1 P2/2 P1/3 P3/1 P3/2 P1/1 P2/3

Memoria virtuale Come è possibile eseguire uno o più progammi contemporaneamente che richiedono piu’ memoria di quanta sia disponibile? Per eseguire un programma non è necessario caricarlo completamente in memoria È sufficiente caricare in memoria principale solo quelle parti del programma e dei dati che servono durante una certa fase dell’esecuzione; le altre parti possono essere tenute su un supporto di memoria secondaria

Per gestire la memoria in modo virtuale, si usa: La memoria principale in cui tenere solo i programmi, o i pezzi di programmi, che servono in un certo istante. Un supporto di memoria secondaria in cui mantenere tutte le informazioni relative ai processi (programma e dati). Si utilizzano i dischi rigidi perché sono abbstanza veloci e hanno accesso diretto)

Demand paging Le pagine vengono caricate nella RAM indipendentemente, quando sono richieste per l’esecuzione (on demand) Il SO stabilisce quali pagine scaricare o eliminare dalla RAM per far posto a nuove pagine di processi in esecuzione. Se le pagine sono state modificate devono essere ricopiate sul disco Il processo di scambiare pagine tra memoria e disco si chiama swapping Lo swapping è costoso in termini di tempo e rallenta l’esecuzione di un programma

Esempio: la RAM non è sufficiente a contenere P1, P2 e P3

Visione astratta della memoria: un programma non deve conoscere la configurazione e le dimensioni della memoria reale e può essere eseguito su computer con dotazioni di memoria differenti