Il sistema operativo

Sistema operativo Insieme di programmi per la gestione del funzionamento del computer. Interfaccia tra utente e hardware, ambiente per l’esecuzione dei programmi. Un sistema operativo viene caricato nella memoria RAM all’accensione della macchina (programma di boot) e rimane attivo fino allo spegnimento.

Sistema operativo Il sistema operativo: è un insieme di moduli software; controlla le risorse hardware del sistema; mette a disposizione dell’utente una macchina virtuale, in grado di eseguire comandi dati dall’utente, utilizzando la macchina “reale”.

Sistema operativo Il sistema operativo:presenta all’utente una macchina virtuale che nasconde tutti i dettagli hardware che sarebbero troppo complicati da gestire per la maggior parte degli utenti.

Sistema operativo Le richieste dell'utente al SO, fatte digitando dei comandi nelle interfacce a carattere o selezionando oggetti con il mouse nelle interfacce grafiche (Graphic User Interface), sono intercettate dall'interprete dei comandi (shell), il quale attiva i moduli programma che agiscono nei componenti del nucleo (kernel). Questi attivano i dispositivi hardware quali il processore, la memoria, i controller di I/O, ecc., che svolgono la richiesta dell'utente.

Sistema operativo E’ uno strato software che opera direttamente sull’hardware Isola gli utenti dai dettagli dell’hardware E’ organizzato a strati: Architettura a buccia di cipolla Ogni strato costituisce una macchina virtuale Programmi utente Interprete comandi attivazione programmi d’utente o di sistema File system controllo e gestione degli accessi a file Gestione delle periferiche gestione di ingresso/uscita da periferica Gestione della memoria allocazione e gestione della memoria Gestione dei processi (nucleo) gestione dei processi e delle interruzioni Macchina fisica Kernel

Funzioni del sistema operativo Il gestore della memoria ha la funzione di allocare la memoria e partizionarla tra i vari programmi Il gestore dei processi è responsabile dell’esecuzione dei programmi da parte dell’unità di elaborazione Il gestore dell’input/output (drivers) sono responsabili delle operazioni di ingresso/uscita che coinvolgono le periferiche Il file system è responsabile della gestione dei file in memoria di massa L’interprete dei comandi consente all’utente di attivare i programmi da una interfaccia grafica o testuale (GUI o Shell)

Cos’è un processo Un processo è un’attività, controllata da un programma E’ un entità dinamica che rappresenta l’esecuzione del programma In un sistema multitasking possono essere avviati molti processi contemporaneamente Per l’avanzamento di un processo è necessaria l’assegnazione di un processore Dato che i processi si alternano nell’esecuzione,possiamo dire che generalmente l’avanzamento di un processo avviene in maniera discontinua

Gestione dei processi Caratteristiche Interazione diretta con l’Hardware Esecuzione dei programmi come processi Lo strato del gestore dei processi offre agli strati superiori una macchina virtuale in cui ciascun programma opera come se avesse a disposizione un’unità di elaborazione dedicata

Gestione dei processi I processi hanno in memoria sempre aree dati disgiunte (sebbene possano, a richiesta, condividere parte dei dati oppure scambiarsi dei messaggi tra di loro).

Obiettivi Massimizzare l’uso della CPU. Massimizzare il numero di processi eseguiti nell’unità di tempo. Minimizzare il tempo di risposta.

I Processi Contesto all’istante t : istruzione da eseguire (indirizzo in RAM: PC, IR) contenuto dei registri dati del processore il processo rappresenta lo stato di avanzamento del programma istante per istante.

Processi Concorrenti Nei sistemi attuali sono in esecuzione più processi contemporaneamente. (multitasking) La CPU esegue comunque una sola istruzione per volta. Il S.O. gestisce l’avvicendamento dei processi in esecuzione: assegna la CPU ai vari processi istante dopo istante. Scheduler: parte del S.O. che si occupa della gestione dei processi e dei processori

Esempio di S.O. Multi-tasking : time-sharing Si usa la tecnica dei quanti di tempo es: 3 programmi attivi Prog1, Prog2, Prog3 vengono mandati in esecuzione ciclicamente Eseguo Prog1 Eseguo Prog3 Eseguo Prog1 Eseguo Prog2 Quanto 20-100 ms Interruzione : il SO riprende il controllo e decide chi eseguire nel quanto successivo Clock ‘orologio interno’

Gli stati di un processo I processi appena creati si mettono in stato di pronto Il S.O. decide quale processo pronto eseguire (pronto  esecuzione) Il S.O. assegna il processore ad un processo per un intervallo (quanto) di tempo L’assegnazione di un processo al processore tiene conto della coda dei processi pronti e della priorita’ dei processi

Gli stati di un processo Nuovo: il processo viene creato 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 Terminato: il processo ha terminato l’esecuzione, ma non è stato ancora fisicamente cancellato dalla memoria centrale. Processo in esecuzione Processo pronto Processo in attesa Inizio esecuzione Primo processo pronto Termine processo: Fine quanto di tempo -Interruzione esterna Interruzione interna Evento esterno atteso - Fine esecuzione - Abort per errore Nuovo

Il ciclo di vita dei processi  1 Ogni nuovo processo entra nel sistema accedendo alla ready queue (new  ready), e va in esecuzione (ready  running) quando viene selezionato dallo scheduler Un processo attivo può essere arrestato per un interrupt esterno (running  ready) Un processo può anche essere sospeso dal nucleo (running  ready), dopo un dato intervallo temporale, per garantire a tutti i processi un uso paritario della CPU: lo scheduler sceglie quale fra i processi pronti mandare in esecuzione

Il ciclo di vita dei processi  2 Anche un’interruzione interna può causare l’arresto di un processo (running  waiting) Viceversa, il verificarsi dell’evento atteso da un processo fa sì che esso passi dallo stato di attesa allo stato di pronto (waiting  ready) Infine, un processo in esecuzione può terminare regolarmente, o essere interrotto e terminato forzatamente dal nucleo (aborted ) per il verificarsi di un errore Lo scheduler seleziona un nuovo processo dalla coda dei processi ready

Cambiamento di contesto Contesto: insieme delle informazioni che caratterizzano lo stato di un processo Se il processo è fisicamente in esecuzione parte del contesto si trova nei registri della CPU (Program Counter, registri utente) Se il processo non è in esecuzione il contesto è in memoria. Cambiamento di contesto (context switch): operazione che avviene quando il sistema operativo decide di mandare in esecuzione un altro processo Il sistema operativo deve salvare tutte le informazioni necessarie a ripristinare esattamente lo stato del processo in esecuzione nel futuro.

Context Switch della CPU da processo a processo

Dispatcher Divide il tempo in quanti (< 50 millisec.) Da’ un quanto ad ogni processo, uno alla volta Alla fine del quanto, segnale che passa la CPU ad un altro processo pronto Prima di passare al prossimo processo, la CPU esegue il programma di gestione delle interruzioni Aggiorna la tabella dei processi Salva lo stato (registri, celle di M, ...) Sceglie un altro processo dalla tabella ……..

Transizioni tra stati di un processo In esecuzione richiesta di I/O schedulazione fine tempo oppure evento esterno pronti In attesa conclusione I/O Coda ordinata in attesa della CPU Insieme in attesa di eventi

Gestione informazione sui processi Il S.O. mantiene l’informazione relativa a tutti i processi attivi (non terminati) nella tabella dei processi (PCB, Process Control Block) . Per ogni processo la PCB contiene un certo numero di informazioni. La tabella dei processi è in ogni istante caricata interamente in RAM.

La tabella dei processi (PCB) Per ogni processo attivo: PID: Process Identifier Stato corrente (Execute, Ready, Blocked) Program Counter Contenuto dei registri Priorità …...

{ Scheduling della CPU  1 { Oltre ad arrestarsi a causa delle interruzioni, il processo attivo può venire arrestato d’autorità dallo scheduler Lo scheduler ha come obiettivo quello di far eseguire ciascun processo utente entro un tempo approssimativamente proporzionale alla sua complessità, effettuando una ripartizione equa della risorsa CPU Criteri di scheduling: Utilizzo di CPU — la CPU deve essere più attiva possibile Throughput — numero di processi completati nell’unità di tempo Tempo di turnaround — tempo di esecuzione di un processo Tempo di attesa — tempo di attesa del processo nella ready queue Tempo di risposta — tempo che intercorre tra la sottomissione di una richiesta e la prima risposta prodotta { max { min

Scheduling dei processi È l’attività mediante la quale il sistema operativo effettua delle scelte per ottimizzare l’esecuzione dei processi, riguardo : al caricamento in memoria centrale all’assegnazione del processore ai processi

Tre diversi livelli di scheduling: Scheduling a breve termine Sceglie tra i processi pronti quello a cui assegnare il processore Interviene quando il processo in esecuzione perde il controllo del processore. Scheduling a medio termine (Swapping) trasferimento temporaneo in memoria secondaria di processi Memoria principale inferiore alla somma delle richieste dei vari processi Scheduling a lungo termine Sceglie nella memoria secondaria quali programmi caricare in memoria centrale Controlla il grado di multiprogrammazione

Scheduling nei sistemi Batch Tre livelli di scheduling

Short-term Scheduling Lo Scheduler si occupa di decidere quale fra i processi pronti può essere mandato in esecuzione L’algoritmo di scheduling ha impatto su: efficienza nell’utilizzo delle risorse della macchina prestazioni percepite dagli utenti Lo scheduling ha obiettivi diversi in diversi sistemi (batch, interattivi, time sharing, ….)

Obiettivi dello Scheduling Obiettivi principali degli algoritmi di scheduling: Fairness (Equità) - processi della stesso tipo devono avere trattamenti simili ==> In particolare: evitare l’attesa indefinita Balance (Bilanciamento) - tutte le parti del sistema (CPU, dispositivi …) devono essere utilizate al massimo Throughput - massimizzare il numero di job completati in un intervallo di tempo Turnaround time - minimizzare il tempo di permanenza di un job nel sistema Tempo di risposta - minimizzare il tempo di riposta agli eventi Proporzionalità - assicurare un tempo di risposta proporzionale alla complessità dell’azione

Short-term Scheduling Scheduling con prerilascio (preemptive) lo scheduler può intervenire ogni volta che è necessario per ottenere gli obiettivi perseguiti quando diventa pronto un processo a più alta priorità rispetto a quello in esecuzione quando il processo in esecuzione ha sfruttato la CPU tutto il quanto di tempo consentito Scheduling senza prerilascio (non preemptive) lo scheduler interviene solo quando un processo viene creato, oppure termina, oppure si blocca per effetto di un errore o di un evento esterno

Short-term Scheduling Due tipologie di processi : processi CPU-bound -- lunghi periodi di elaborazione fra due richieste successive di I/O processi I/O-bound -- brevi periodi di elaborazione fra due richieste successive di I/O A seconda degli obiettivi del Sistema Operativo, le politiche possono privilegiare i processi dell’una o dell’altra tipologia.

Processi CPU bound (P1) e I/O bound (P2) Lungo burst di CPU Attesa completamento I/O Corto burst di CPU P2 tempo In esecuzione In attesa

Politiche di Scheduling della CPU Roundrobin : la politica di scheduling più semplice, che consiste nel garantire la rotazione nell’esecuzione dei processi Lo scheduler assegna la CPU ad un processo per un quanto di tempo Quando il quanto di tempo termina, il processo in esecuzione viene interrotto e ritorna nella ready queue Per realizzare l’alternanza fra processi, lo scheduler gestisce la ready queue in modo tale da assegnare il processore al primo processo in coda che, quando esaurisce il suo quanto, viene posto alla fine della coda Alla fine della coda si inseriscono anche i processi che passano dallo stato di attesa allo stato di pronto

Politica Round Robin Proprietà: In Esecuzione Coda Pronti Primo E C A B D In Esecuzione Coda Pronti Primo A D B C E A passa in esecuzione A esaurisce il quanto di tempo Proprietà: Tempo di risposta massimo (limite superiore) = (Numero Proc Pronti)*(Quanto di Tempo) Proporzionalità tempo di Turnaround proporzionale a lunghezza del lavoro

Politica Round Robin Esaurimento del quanto di tempo segnalato dal timer del processore - L’interruzione del timer provoca l’attivazione dello scheduler - Al termine del suo intervento, lo scheduler carica il timer con un nuovo quanto di tempo Lo scheduler interviene anche quando il processo in esecuzione si sospende prima della scadenza del quanto di tempo - lo scheduler riassegna il processore e carica il timer con un nuovo quanto di tempo Come fissare il quanto di tempo - deve essere abbastanza lungo da ammortizzare il costo di un context switch deve - essere abbastanza breve da permettere una risposta veloce agli utenti interattivi - in sistemi reali tipicamente 20-120 ms RR non favorisce i processi I/O bound

Scheduling con politica FIFO I processi non hanno priorità La coda dei processi pronti è una coda FIFO La politica non prevede prerilascio ==> lo scheduler interviene solo quando il processo in esecuzione si blocca per effetto di un errore, di un evento esterno oppure termina Ad ogni intervento, lo scheduler assegna il processore al primo dei processi pronti Non esiste possibilità di attesa indefinita (stallo o deadlock) Se sono presenti processi CPU-bound e processi I/O-bound, la politica FIFO penalizza i processi I/O-bound (aumentando il tempo di turnaround)

Processi CPU bound (P1) e I/O bound (P2) tempo In attesa In esecuzione pronto FIFO, senza prerilascio

Processi CPU bound (P1) e I/O bound (P2) tempo In attesa In esecuzione pronto Priorità a I/O bound

Scheduling con priorità Ogni processo ha una priorità Ogni volta va in esecuzione il processo a priorità più elevata Criteri di assegnazione della priorità ?? >> Per esempio: politica Shortest Job First (SJF) Punti chiave Priorità statica ==> Possibilità di attesa indefinita per i processi a priorità più bassa Priorità dinamica ==> strategia di assegnazione della priorità ? per esempio: priorità maggiore ai processi I/O bound, ma come individuare i processi I/O bound?

Scheduling con priorità Molte strategie per il calcolo dinamico della priorità: Priorità crescente nel tempo per i processi che rimangono in stato di pronto. Obiettivo: impedire attesa indefinita Incremento di priorità quando i processi vengono riattivati. Obiettivo: tempo di risposta Priorità legata alla percentuale f del quanto di tempo che è stato consumato l’ultima volta che il processo è andato in esecuzione (es. proporzionale a 1/ f ). Obiettivo: favorire processi I/O bound

Politica SJF Scheduling con politica Shortest Job First (SJF) ==> privilegia il job più corto Ipotesi: l’insieme dei job da schedulare è noto all’inizio si conosce il tempo di esecuzione T di ogni job Politica: i job sono schedulati in ordine di T crescente non c’è prerilascio Proprietà: SJF minimizza il tempo medio di turnaround

Sincronizzazione dei processi A volte, i processi devono sincronizzarsi, ovvero coordinare le loro attività Il coordinamento sequenziale: un processo termina invocando l’attivazione di un altro processo La competizione: due processi vogliono accedere simultaneamente a una medesima risorsa (risorsa critica)

Fine

Commutazione del contesto Cambiamento di contesto (context switch) - Il processo A è in esecuzione - A viene sostituito dal processo B - tutti i dati del processo A, in particolare il Program Counter, vengono salvati Ripristino del contesto Quando il processo A torna in esecuzione riprende dai dati precedentemente salvati

Sistema operativo Per descrivere gli stati del processo e per gestire le commutazioni di contesto subite dal processo, al processo va associata un’opportuna struttura dati, chiamata area dati di nucleo (process control block- PCB). L’area dati di nucleo del processo è creata e gestita direttamente dal sistema operativo; non è direttamente visibile da parte del processo.

Classificazione dei SO In base alla modalita’ di gestione dei programmi: Monoprogrammazione (esegue un solo programma alla volta) Multiprogrammazione (esegue piu’ programmi apparentemente conteporaneamente, in realta’ in time-sharing, suddividendo il tempo di esecuzione in intervalli molto piccoli e assegnando a turno le risorse ai diversi programmi) In base al tipo di accesso fornito agli utenti: Monoutente (un solo utente puo’ usare la macchina) Multiutente (piu’ utenti possono contemporaneamente interagire con la stessa macchina)

Classificazione dei SO I concetti di mono e multi-programmazione sono indipendenti sa quelli di SO mono e multi-utente I SO attuali operano tutti in multiprogrammazione Windows nasce come sistema monoutente, anche se le versioni evolute (NT, 2000, XP) hanno alcune funzioni che possono essere utilizzate in modo concorrente da piu’ utenti contemporaneamente UNIX e’ un sistema multiutente che opera in multiprogrammazione

Classificazione dei SO In base al tipo di schell utilizzato: Shell alfanumerici (MS-DOS, UNIX, …) i comandi vengono inseriti come stringhe di caratteri e impartiti tramite la tastiera Shell grafici - Graphic User Interface (GUI) i comandi e gli oggetti vengono rappresentati in modo grafico e possono essere impartiti, eseguiti o manipolati attraverso l’uso congiunto di mouse e tastiera

Sistema operativo Quando si parla di multiprogrammazione si parla anche di time‑sharing: il sistema operativo che fa sì che le risorse del calcolatore siano assegnate per prefissati intervalli di tempo, in successione, ai diversi programmi: gli intervalli di tempo possono essere più o meno lunghi l’uno rispetto all’altro, a seconda della priorità di cui gode il programma che l'utente utilizza, ma comunque sono di brevissima durata.

Sistema operativo in time sharing Permette la condivisione della CPU tra più processi Ogni processo in esecuzione ha a disposizione un quanto di tempo di utilizzo della CPU, al termine del quale viene sospeso per lasciare il posto ad un altro processo in attesa di esecuzione.

Sistema operativo - scheduling

Sistema operativo e macchine reali

Sistema operativo Lo schedulatore (scheduler) è la componente del sistema operativo che si occupa di spostare i processi tra le varie code di attesa.

Gestione della memoria centrale Il sistema operativo permette l’esecuzione contemporanea di più processi e tutti i processi pronti dovrebbero avere tutto il programma o almeno le prossime istruzioni caricate nella memoria. Se lo spazio totale occupato dai processi supera la dimensione della memoria centrale, non tutti i processi possono risiedere per intero nella memoria centrale Normalmente la quantità di memoria non è sufficiente a contenere tutti le istruzioni e tutti i dati di tutti i processi gestiti.

Gestione della memoria centrale La memoria deve essere gestita con molta attenzione ed efficienza caricando solo i dati e le istruzioni che devono essere modificate ed eseguite. Le altre parti devono essere spostate sul disco per poter essere caricate quando necessario. La memoria virtuale e’ un sistema per aumentare lo spazio di memoria disponibile

Gestione della memoria centrale Partizionamento della memoria e del suo spazio di indirizzi. Tecniche di partizionamento: Segmentazione: suddivide la memoria centrale in segmenti di lunghezza variabili contenenti parti di un programma logicamente correlati tra di loro Paginazione: suddivide memoria e programmi in pagine di lunghezza fissa; i programmi vengono caricati in memoria anche in pagine non contigue NON sono tecniche alternative. Spesso sono applicate contemporaneamente Sia nel caso della partizione, sia in quello della segmentazione, il gestore della memoria offre al programma applicativo la visione di una memoria virtuale

Gestione della memoria centrale Ad ogni processo viene assegnata nella fase di partenza una tabella detta tabella delle pagine dove per ogni pagina usata dal processo viene scritto dove si trova la pagina fisica. La memoria virtuale è maggiore di quella fisica La gestione della memoria è coordinata con la gestione dei processi

File System – il gestore dei file Un file è un insieme di dati omogenei fra loro e raggruppati ai fini di archiviazione, di successiva elaborazione o di esecuzione. Possono contenere dati (file dati), programmi in linguaggio macchina (file eseguibili) o sequenze di comandi del sistema operativo (script o file batch). Un sistema operativo fornisce dei formati standard con cui organizzare i dati nella memoria di massa e i comandi per manipolare i file (file system). Ogni file è caratterizzato da un nome e da una estensione, che serve ad identificarne il tipo. Es. i file eseguibili sotto MSDOS/Windows hanno estensione .EXE, quindi il file prova.exe è un file che contiene codice direttamente eseguibile dalla CPU.

File System – il gestore dei file L'oggetto elementare su cui opera il file system è il FILE, ossia una raccolta di dati registrati su memoria di massa (il file è visto dal SO come una sequenza di byte) Tipi di file: testo (ASCII): una sequenza di caratteri, ad esempio un programma sorgente (es. in linguaggio C) o un editor di testo semplice binari: una sequenza di byte eseguibili (programmi) e non eseguibili (es. immagini, documenti creati con word processor)

File System – il gestore dei file Sul disco rigido i file sono organizzati in modo gerarchico e possono essere inseriti in opportuni “contenitori” (cartelle o directory: sono anch’essi file! Una directory contiene una lista dei nomi e attributi dei file e directory al suo interno). Il disco può essere considerato come un archivio che contiene varie cartelle. Ogni cartella contiene documenti (file) o altre cartelle, che a loro volta contengono file o cartelle, realizzando una struttura ad albero. Ogni file è quindi identificato da un percorso, che rappresenta la sequenza delle cartelle che bisogna aprire per raggiungerlo.

File System – il gestore dei file Il percorso di un file individua le directory che devono essere percorse per raggiungere quella che contiene il file. Il percorso e il nome del file individuano l’oggetto e ne specificano la collocazione nella struttura gerarchica: c:/Didat/esami/iscrmar.doc

File System – il gestore dei file Funzioni principali: Creazione di file Copiatura di file Spostamento (da una cartella ad un’altra) di file Ridenominazione di file Cancellazione di file Strutturazione dei dischi (e dei nastri) come insiemi di file. ... Per ognuna di queste operazioni esiste un opportuno comando (interfaccia utente alfanumerica) o una azione corrispondente con mouse e tastiera (GUI).

Gestione delle periferiche Funzioni principali: Indirizzamento dei segnali da e verso le periferiche Sincronizzazione delle periferiche Gestione del sistema di Ingresso/Uscita Sistema di tamponamento dei flussi di dati (buffer-caching). Interfaccia generale per i programmi di controllo (driver) delle periferiche (device). Collezione di programmi di controllo (driver) specifici per le varie periferiche (device) collegabili al calcolatore.

Driver - Gestione delle periferiche I driver sono meccanismi software cui è affidato il compito di comunicare dati da e verso le periferiche Garantiscono ai programmi che li usano una visione di alto livello E’ possibile leggere o scrivere tramite primitive indipendenti dalla struttura hardware delle periferiche Si distingue fra: Driver fisici (hardware). Vengono attivati direttamente dal gestore delle interruzioni Driver logici (software). Fanno parte del sistema operativo e forniscono una gerarchia di operazioni, con un’organizzazione a strati

Gli stati di un processo Un processo in esecuzione passa in stato di attesa se: Richiede operazioni di I/O (interruzione interna) e per non lasciare il sistema inattivo, il processo attivo viene interrotto e posto in stato di attesa Si verificano richieste di interruzioni esterne Se il tempo allocato al processo e’ scaduto; il processore cerca di garantire un uso equo della CPU a tutti i processi; il nucleo interrompe l’esecuzione del processo attivo per non penalizzare gli altri processi esistenti; quando il processo torna in stato attivo prosegue con l’elaborazione dell’istruzione successiva a quella su cui era stato precedentemente interrotto al termine delle propria esecuzione ed è rimosso dall’elenco dei processi esistenti