Informatica Lezione 7 Psicologia dello sviluppo e dell'educazione (laurea magistrale) Anno accademico:

Funzioni principali del sistema operativo Avvio del computer Gestione del processore e dei programmi in esecuzione (detti processi) Gestione della memoria principale Gestione della memoria virtuale Gestione della memoria secondaria Gestione dei dispositivi di input/output Interazione con l’utente

Sistemi mono-utente, mono- programmati Un solo utente può eseguire un solo programma alla volta –È forzato a “sequenzializzare” i programmi –Il programma viene lanciato, eseguito e quindi terminato Il processore non viene sfruttato al meglio: si spreca molto tempo –Il processore è molto più veloce dei supporti di memoria secondaria e delle altre periferiche –Passa la maggior parte del suo tempo in attesa –Durante l’attesa si dice che il processore è un uno stato inattivo (idle)

Esempio 1 Un processo è costituito da 1000=10 3 istruzioni –Ogni istruzione richiede secondi per essere eseguita dal processore –Tempo totale di esecuzione: 10 3 * = = 1 millisecondo A metà esecuzione è richiesta la lettura di un dato dal disco. Il tempo di lettura è 1 millisecondo Tempo totale di esecuzione = 2 millisecondi Idle time = 1 millisecondo: 50% del tempo totale di esecuzione è tempo sprecato

Esempio 2 Un processo è costituito da 1000=10 3 istruzioni –Ogni istruzione richiede secondi per essere eseguita dal processore –Tempo totale di esecuzione: 10 3 * = = 1 millisecondo A metà esecuzione è richiesta un dato al’utente. Il tempo di reazione è 1 secondo Tempo totale dell’esecuzione = 1001 millisecondi Idle time = 1 secondo: 99,9% del tempo totale di esecuzione è tempo sprecato

Esecuzione sequenziale Processo P1 Processo P2 Processore iniziofineiniziofine esecuzione in attesa attivo idle

Esecuzione sequenziale Supponiamo che il nostro sistema sia un bar in cui il barista serve diversi clienti Il barista è corrispondente del processore, i clienti sono l’equivalente dei processi da eseguire Esecuzione mono-programmati: OrdinarePreparare il caffè Consumare Pagare OrdinarePreparare il caffè Consumare Pagare Cliente 1Cliente 2

Soluzione In realtà (normalmente…) c’è alternanza tra i clienti: Ordinare (C1) Preparare il caffè (C1) Pagare (C1) Ordinare (C2) Preparare il caffè (C2) Pagare (C2) Cliente 1 Cliente 2

Soluzione: sistemi multiprogrammati Quando il processore è nello stato di idle la si può sfruttare per eseguire (parte di) un altro processo Quando un processo si ferma (per esempio in attesa di un dato dall’utente) il processore può passare ad eseguire le istruzioni di un altro processo Il sistema operativo si occupa dell’alternanza tra i processi in esecuzione

Sistemi multiprogrammati Dal punto di vista dei processi Dal punto di vista del processore P1 P2 esecuzione P1 esecuzione P2

Sistemi multiprogrammati Più programmi sembrano essere eseguiti “contemporaneamente” In realtà in esecuzione c’è sempre un solo processo –Ma, se l’alternanza è molto frequente, si ha un’idea di simultaneità

Sistemi multiprogrammati Un processo può trovarsi in tre diversi stati: in esecuzione, in attesa, pronto esecuzione attesapronto Quando sta utilizzando il processore Quando è in attesa del verificarsi di un evento esterno Quando è potenzialmente in condizione di poter utilizzare il processore che è occupato da un altro processo

Sistemi multiprogrammati esecuzione attesapronto scambio esecuzione richiesta I/O o risorse I/O terminato o risorsa disponibile terminazione

Sistemi multiprogrammati pronto Quando un processo viene creato viene messo nello stato di pronto in tale stato rimane fino a quando non arriverà il suo turno

Sistemi multiprogrammati esecuzione attesapronto scambio esecuzione

Sistemi multiprogrammati esecuzione attesapronto Un processo può abbandonare lo stato di esecuzione per tre diverse ragioni

Sistemi multiprogrammati esecuzione attesapronto terminazione Il processo termina la sua esecuzione e abbandona il sistema Un processo può abbandonare lo stato di esecuzione per tre diverse ragioni

Sistemi multiprogrammati esecuzione attesapronto richiesta I/O o risorse terminazione Il processore viene liberato e può essere concesso ad un altro processo pronto Un processo può abbandonare lo stato di esecuzione per tre diverse ragioni

Sistemi multiprogrammati esecuzione attesapronto scambio esecuzione richiesta I/O o risorse terminazione Per realizzare in modo equo l’alternanza tra i processi, in certi casi può essere opportuno fermare un processo e concedere il processore ad un altro processo Un processo può abbandonare lo stato di esecuzione per tre diverse ragioni

Sistemi multiprogrammati In quali casi è opportuno fermare un processo e concedere il processore ad un altro processo? –Se un processo non si ferma mai in attesa di input/output o di una risorsa –Se più utenti vogliono usare il computer In questi casi è necessario far sì che il processore sia distribuita tra i processi dello stesso utente e di utenti diversi Si parla di scheduling del processore

Esempio di scheduling: Round Robin Ad ogni processo viene assegnato un quanto di tempo del processore (time slice) Terminato il quanto di tempo, il processo viene sospeso e rimesso nella coda dei processi pronti (al fondo della coda) Il processore viene assegnata ad un altro processo pronto Un processo può usare meno del quanto che gli spetta se deve eseguire operazioni di I/O oppure ha terminato la sua computazione

Esempio di scheduling: Round Robin esecuzione attesapronto in esecuzione richiesta I/O o risorse I/O terminato o risorsa disponibile terminazione quanto di tempo scaduto Nel caso della politica di scheduling Round Robin

Sistemi multi-utente, multi- programmati Più utenti possono usare allo stesso tempo il computer –… perché il processore viene assegnata periodicamente ai processi dei vari utenti (per esempio ogni 10 o 100 millisecondo) All’aumentare del numero di processi e del numero di utenti le prestazioni del sistema possono degradare

Esercizio 1a Supponiamo di avere nella coda dei processi pronti tre processi P1, P2 e P3 con i seguenti “comportamenti” in termini di computazione e tempi di attesa Quante unità di tempo ci vogliono per portare a termine tutti e tre i processi in un sistema mono-programmato? calcolo in attesa P1 P2 P3

Esercizio 1a: soluzione Quante unità di tempo ci vogliono per portare a termine tutti e tre i processi in un sistema mono-programmato? Tot(P1)=60, Tot(P2)=60, Tot(P3)=50 Tot(P1+P2+P3) = =

Esercizio 1b Supponiamo di avere nella coda dei processi pronti tre processi P1, P2 e P3 con i seguenti “comportamenti” in termini di computazione e tempi di attesa Quante unità di tempo ci vogliono per portare a termine tutti e tre i processi in un sistema multi-programmato, se si applica l’alternanza tra i processi? calcolo in attesa P1 P2 P3

Esercizio 1b: una soluzione Quante unità di tempo ci vogliono per portare a termine tutti e tre i processi in un sistema multi-programmato, se si applica l’alternanza tra i processi? P1 P2 P3 P1 in attesa P2 in attesa P3 in attesa In questo caso, quando un processo va in attesa, il processore viene assegnato al primo processo pronto Totale = 100

Esercizio 1b: un’altra soluzione Quante unità di tempo ci vogliono per portare a termine tutti e tre i processi in un sistema multi-programmato, se si applica l’alternanza tra i processi? P1 P2 P3 P1 in attesa P2 in attesa P3 in attesa Totale = 100

Esercizio 1b: una soluzione ottimale Quante unità di tempo ci vogliono per portare a termine tutti e tre i processi in un sistema multi-programmato, se si applica l’alternanza tra i processi? P1 P2 P3 P1 in attesa P2 in attesa P3 in attesa Totale = 90

Esercizio 2 Supponiamo di avere nella coda dei processi pronti i processi –P1 durata = 40 unità di tempo –P2 durata = 10 unità di tempo –P3 durata = 60 unità di tempo –P4 durata = 30 unità di tempo Qual è una sequenza di esecuzione con una politica di scheduling Round Robin e quanto di tempo pari a 20 unità?

Esercizio 2: una soluzione –P1 durata = 40 unità di tempo –P2 durata = 10 unità di tempo –P3 durata = 60 unità di tempo –P4 durata = 30 unità di tempo P1 020 P2P3P4P1P3P4P Non consideriamo eventuali tempi di attesa

Funzioni principali del sistema operativo Avvio del computer Gestione del processore e dei processi Gestione della memoria principale Gestione della memoria virtuale Gestione della memoria secondaria Gestione dei dispositivi di input/output Interazione con l’utente

Gestione della memoria secondaria La memoria secondaria serve per memorizzare programmi e dati in modo permanente Il file system: quella parte del sistema operativo che si occupa di gestire e strutturare le informazioni memorizzate sulla memoria secondaria Processore Stampante Memoria secondaria Memoria principale

Il file system I file vengono utilizzati come supporto per la memorizzazione dei programmi e dei dati –Un file può corrispondere ad un programma, o ad un insieme di dati omogenee –Diversi tipi di file contengono diversi tipi di informazione –Un file deve avere un nome logico È meglio usare nomi significativi mio.doc, a.txt tesi.doc, inf_lezione9.ppt È meglio non usare caratteri speciali e lo spazio bianco prima pagina.html, mia foto.jpg index.html, montagne.gif

Il file system Un file ha anche una estensione Esempi:.doc.txt.html.jpg.gif.pdf Le estensioni sono importanti perché di solito indicano il tipo del file (quindi danno informazioni sul programma applicativo in grado di manipolarlo)

Il file system Mediante il file system il sistema operativo fornisce una visione astratta dei file su disco Hardware Utente Avvio Gestione: i processi, la memoria, i disp. di input/output Interfaccia utente

Il file system Il file system permette all’utente di: –Identificare ogni file mediante il suo nome –Operare sui file mediante opportune operazioni –Effettuare l’accesso alle informazioni grazie ad operazione di alto livello, che non tengono conto del tipo di memorizzazione Per esempio, si deve accedere allo stesso modo ad un file memorizzato sul disco rigido oppure su un CD-ROM –Strutturare i file, organizzandoli in sottoinsiemi secondo le loro caratteristiche, per avere una visione “ordinata” e strutturata delle informazioni sul disco –Proteggere i propri file in un sistema multi-utente, ossia per impedire ad altri utenti di leggerli, scriverli o cancellarli

Organizzazione gerarchica dei file Un unico spazio (“contenitore”) di file è scomodo –La scelta dei nomi diventa difficile perché non è possibile avere due file con lo stesso nome nella stessa contenitore –Le operazioni di ricerca dei file diventano onerose L’idea è quella di raggruppare i file in sottoinsiemi Questi sottoinsiemi di file vengono memorizzati all’interno di contenitori dette cartelle (directory) I nomi dei file sono locali alle directory –Si possono avere due file con lo stesso nome perché siano in due directory diverse

Organizzazione gerarchica dei file I computer sono dotati di più unità di memoria secondaria, per esempio: –Unità per floppy disk: A –Unità per disco fisso: C –Unità per CD-ROM: D DOS e Windows usano dei nomi per distinguere le unità

Organizzazione gerarchica dei file Applicazioni Biblioteca Utenti Indice Elab_imm Elab_testi Narrativa-Fra Narrativa-Ing Narrativa-Ita Bianchi … Rossi … Pautasso … Photoshop.exe Winword.exe libro1.pdf libro2.pdf libro1.pdf libro2.pdf Premiere.exe A: Questa struttura viene chiamata albero foglie radice dell’albero

Reti di computer Mainframe Server Switching node

Reti di computer Tipi di reti: –Locale: di un’università, azienda, scuola, ecc. –Geografiche: per esempio Internet (la rete delle reti) Cambiamenti portato da Internet (da Snyder): –Nessun luogo è remoto –Le persone sono interconnesse –Le relazioni sociali stanno mutando –L’inglese sta diventando un linguaggio universale –La libertà di parola e di associazione si è estesa

Reti di computer Perché collegare i computer nelle reti? –Condivisione risorse: Risorse fisiche: per esempio non è economico comprare 1 stampante laser per ogni personal Dati e programmi: per esempio base di dati a cui molti utenti (da diversi computer) possono accedere –Sistema di prenotazioni e assegnamento posti di una compagnia aerea, sistema informativo di una banca, ecc. –Comunicazione tra utenti in locazioni fisiche differenti (scambio di messaggi e dati) Comunicazioni in ambito di ricerca, lavoro cooperativo, possibilità di volgere attività di lavoro a casa (tele-lavoro), ecc.

Il modello centralizzato Anni ’70: modello centralizzato (time-sharing multi-utente) –Il collegamento di molti utenti ad un unico elaboratore potente (centralizzato) attraverso terminali Terminale: usato solo per inserire dati e ricevere dati per la visualizzazione (per esempio, con tastiera, schermo, mouse, ma senza capacità di elaborazione) Svantaggio: più utenti  necessità di usare computer (centralizzati) più potenti

Il modello distribuito Anni ’80: il modello distribuito –Collegare in rete gli elaboratori (di varie potenze, tipi, nella stessa località o in località diverse) Vantaggi rispetto al modello centralizzato: –Flessibilità: In un sistema centralizzato, in caso di guasto all’elaboratore centrale nessuno può lavorare Nel caso distribuito invece, la rottura di una macchina blocca un solo utente mentre gli altri possono continuare a lavorare –Economicità: In termini di costi, è più conveniente acquistare molti elaboratori personali e collegarli in rete

Internet Nato da ARPAnet (creato alla fine degli anni ’60, una rete singola e chiusa) e altre reti (reti proprietarie) Rete delle reti: basato sull’interconnessione delle reti (eterogenee) già esistente (inter-networking) –Idea di interconnessione tra le reti è dei primi anni ’70 Rete 1 Rete 2 Rete 3 Router

Internet Anni ’90: esplosione di Internet –In particolare, negli primi anni ’90: creazione del World Wide Web 2006: 1,08 bilioni di persone hanno accesso ad Internet (circa 37% in Asia, 28% in Europa, 22% in America del Nord) Principalmente, studieremo Internet in questa parte del corso

Tipi di comunicazione Comunicazione sincrona: il mittente e il destinatario sono attivi nello stesso momento –Per esempio, una conversazione telefonica Comunicazione asincrona: l’invio e la ricezione hanno luogo in istanti diversi –Per esempio, una cartolina Comunicazione broadcast: un singolo mittente e molti destinatari –Per esempio, la radio, la TV Comunicazione multicast: un singolo mittente e un numeri limitato di destinatari: –Per esempio, le riviste Comunicazione point-to- point: un singolo mittente e un singolo destinatario –Per esempio, il telefono

Tipi di comunicazione Internet può essere considerato come un mezzo di comunicazione universale –Asincrona point-to-point: per esempio, la posta elettronica –Sincrona point-to-point: per esempio, Instant Messaging, Voice over IP –Multicast: per esempio, gruppi di piccola o media dimensione possono comunicare nelle chat –Broadcast: per esempio, le pagine web