1 Informatica Generale Alessandra Di Pierro Ricevimento: Giovedì ore 14.30-17.30 presso Dipartimento di Informatica, Via Buonarroti,

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1 1 Informatica Generale Alessandra Di Pierro email: dipierro@di.unipi.it Ricevimento: Giovedì ore 14.30-17.30 presso Dipartimento di Informatica, Via Buonarroti, 2 stanza 362 DE Tel. 050.2212.779 o per posta elettronica Pagina web del corso: http://www.di.unipi.it/~dipierro/IG03.html

2 2 I sistemi operativi

3 3 Cos’è un sistema operativo ? Hardware Sistema Operativo Applicazioni È il livello di SW con cui interagisce l’utente e comprende programmi quali : Compilatori Editori di testi Fogli elettronici Sistemi bancari Navigatori per Web ….. Software È il livello di SW che interagisce direttamente con l’hw e che si occupa di un uso corretto ed efficiente delle risorse fisiche (processore, memorie, periferiche etc.) Windows Unix/Linux Mac OS gcc, Word, PowerPoint Excel, Explorer Fotoshop, Gimp

4 4 Quali sono le funzioni di un SO ? Esegue applicazioni : –carica il programma binario prodotto della compilazione (e residente su disco) nella RAM, –cede il processore all’applicazione da eseguire Facilita l’accesso ai dispositivi di I/O –interagisce con le periferiche facendosi carico di tutti i dettagli fisici (es. modem, reti, video…) –mette a disposizione operazioni di lettura/scrittura ad alto livello che possono essere usate senza conoscere i dettagli tecnici della periferica

5 5 Quali sono le funzioni di un SO ? (2) Archivia dati e programmi : –mette a disposizione dell’utente una visione astratta della memoria secondaria (il file system basato sulle astrazioni : file/archivi e folder/cartelle) –gestisce la realizzazione di queste astrazioni sul supporto fisico (disco) curando tutti i dettagli legati alla lettura/scrittura dei settori

6 6 Quali sono le funzioni di un SO ? (3) Gestisce le risorse –ripartisce le risorse disponibili fra le varie applicazioni (processore, RAM, periferiche) –evita che ci siano malfunzionamenti dovuti all’uso contemporaneo di risorse es: un word processor e un web browser che inviano contemporaneamente dati alla stampante provocano una stampa erronea –ottimizza le prestazioni scegliendo delle politiche che permettano di sfruttare al meglio tutte le parti del computer

7 7 Quali sono le funzioni di un SO ? (4) Gestisce malfunzionamenti del sistema –rileva e gestisce situazioni anomale es: se il disco ha un settore difettoso, il SO può trasportare automaticamente le informazioni residenti su quel settore da un’altra parte es: se un’applicazione cerca di effettuare una operazione non permessa (come leggere i dati di un’altra applicazione) può bloccare l’applicazione segnalando all’utente la situazione erronea … i SO sono sistemi complessi che non sempre riescono a fare correttamente tutto quello che dovrebbero ….

8 8 Quali sono le parti di un SO ? Gestore del processore Gestore della memoria File system Gestore delle periferiche Interprete di comandi (shell) Applicazioni Hw Interfaccia grafica (desktop)

9 9 Stato utente e stato supervisore Stato utente : –modalità di funzionamento del computer che permette l’accesso solo a un numero limitato di risorse es : un sottoinsieme delle istruzioni assembler (non si può accedere alle istruzioni che istruiscono le interfacce di I/O), una sola parte della RAM etc. Stato supervisore : –modalità che permette l’accesso a tutte le risorse

10 10 Stato utente e stato supervisore (2) Gestore del processore Gestore della memoria File system Gestore delle periferiche Interprete di comandi (shell) Applicazioni Hw Eseguiti in stato utente Eseguiti in stato supervisore Interfaccia grafica (desktop)

11 11 Stato utente e stato supervisore (3) I programmi che girano in stato utente richiedono servizi al SO tramite invocazione di sottoprogrammi speciali –system call o chiamate di sistema Il sistema operativo decide come e quando effettuare il servizio Il sistema operativo può interrompere un programma che gira in stato utente per eseguire altri programmi o per effettuare operazioni di ‘gestione’ della macchina

12 12 Gestione del processore

13 13 Esecuzione di un programma DF Codifica in un linguaggio di programmazione (C, Java etc) Programma Compilatore Input : programma Output : rappresentazione comprensibile alla macchina Eseguibile Passo 1 : scrivere e compilare il programma

14 14 Esecuzione di un programma (2) Come è organizzata la rappresentazione binaria eseguibile del programma (spazio di indirizzamento): testo dati Stack/pila Struttura che permette di realizzare correttamente il meccanismo di chiamata a sottoprogrammi Codifica binaria delle istruzioni assembler in cui il programma è stato tradotto Codifica binaria dei dati 0 2 32 - 1 È un array di parole !

15 15 Esecuzione di un programma (3) Passo 2 : –ricopiare lo spazio di indirizzamento di un programma da memoria secondaria a RAM Sistema Operativo Spazio programma 1 Area riservata, non accessibile in modalità utente Una possibile organizzazione della RAM con più programmi attivi contemporaneamente 0 AmpiezzaRAM - 1 Spazio programma 2 Spazio programma 3

16 16 Esecuzione di un programma (4) Passo 3 : –modificare il PC del processore in modo che contenga correttamente l’indirizzo della prima istruzione assembler da eseguire nel nostro programma Sistema Operativo Spazio programma 1 0 AmpiezzaRAM - 1 Spazio programma 2 Spazio programma 3 440 Prima istruzione da eseguire nel programma 2 È l’indirizzo da scrivere nel PC

17 17 Esecuzione di un programma (5) Quando un programma utente è stato attivato il processore esegue una dopo l’altra le istruzioni assembler che lo compongono Un programma in esecuzione viene detto ‘processo’ Problema : Come fa il Sistema Operativo a riprendere il controllo del processore dopo l’attivazione di un processo? –Terminazione (normale o erronea) –Interruzione

18 18 Terminazione di un processo Un processo termina : –Quando esegue una istruzione assembler di terminazione –Quando effettua una operazione illecita (es. cerca di accedere a memoria privata di altri processi) –Quando c’è un errore che non lo permette di proseguire (es. overflow, etc) In tutti questi casi il processore ricomincia automaticamente ad eseguire il sistema operativo ad un indirizzo prefissato

19 19 Interruzione di un processo Il sistema operativo può bloccare un processo in un qualsiasi istante della sua esecuzione per effettuare qualche operazione di gestione della macchina Questo avviene attraverso il meccanismo hardware delle interruzioni

20 20 Interruzione di un programma (2) Come funzionano le interruzioni –ogni periferica può ‘richiedere attenzione’ inviando un segnale di interruzione usando le linee di controllo del bus –alla fine dell’esecuzione di ogni istruzione assembler il processore controlla la presenza di una interruzione –se è presente il controllo passa automaticamente al sistema operativo

21 21 Il gestore del processore Nei computer attuali, tutti i programmi che compongono il SO ed i programmi applicativi ‘avviati’ sono attivi contemporaneamente sul calcolatore (multiprogrammazione) –es : Windows 2000 + Word + cd player... Il gestore del processore si preoccupa di far condividere il processore a tutti i programmi attivi in modo corretto –lo scopo è dare l’impressione che ognuno abbia il suo processore dedicato

22 22 Il gestore del processore (2) Si usa la tecnica dei quanti di tempo –es: 3 programmi attivi Prog1, Prog2, Prog3 – vengono mandati in esecuzione ciclicamente Quanto 20-100 ms Eseguo Prog1 Eseguo Prog2 Eseguo Prog3 Periferica ‘orologio interno’ Eseguo Prog1 Interruzione : il SO riprende il controllo e decide chi eseguire nel quanto successivo

23 23 Gestione della memoria

24 24 Il gestore della memoria Tutti i programmi che compongono il SO ed i programmi applicativi attivi usano contemporaneamente la RAM Il gestore della memoria si preoccupa di fare condividere la RAM ai vari processi in esecuzione in modo che : –ogni processo abbia il suo spazio privato distinto dagli altri (e inaccessibile agli altri) –ogni processo abbia abbastanza memoria per eseguire il proprio algoritmo e raccogliere i suoi dati

25 25 Il gestore della memoria (2) La gestione statica –ricopiare interamente lo spazio di indirizzamento di un programma da memoria secondaria a RAM all’inizio dell’esecuzione –abbiamo già visto un esempio : Sistema Operativo Spazio programma 1 Area riservata, non accessibile in modalità utente Una possibile organizzazione della RAM con più programmi attivi contemporaneamente 0 AmpiezzaRAM - 1 Spazio programma 2 RAM vuota

26 26 Il gestore della memoria (3) Problemi della gestione statica –non posso girare programmi con spazio di indirizzamento piu’ grande della RAM Attualmente ogni programma usa almeno 4GB di spazio di indirizzamento, con RAM assai più piccole… Soluzione : gestione dinamica (a pagine) –ad ogni istante carico in RAM solo i pezzi che mi servono per l’esecuzione corrente

27 27 Il gestore della memoria (4) Paginazione –lo spazio di indirizzamento di ogni processo è diviso in ‘fette’ (pagine) tutte della stassa ampiezza 0 1 2 3 4.. Programma 1 Pagina : ‘fetta’ dello spazio di indirizzamento (1-4K) 0 1 2 3 4.. Programma 2 0 1 2 3 4.. Programma 3

28 28 Il gestore della memoria (5) Paginazione –ad ogni istante solo le pagine necessarie sono caricate in memoria (località!) Sistema Operativo RAM vuota 0 1 2 3 4.. Programma 1 0 1 2 3 4.. Programma 2 0 1 2 3 4.. Programma 3

29 29 Gestione delle periferiche

30 30 Driver e controller Ogni periferica è gestita da due entità cooperanti : il controller : un dispositivo hardware che colloquia direttamente con la parte elettrico/meccanica della periferica il driver : un programma software che fa parte del sistema operativo e che conosce le caratteristiche della periferica ed è capace di colloquiare con il controller

31 31 Driver e controller (2) Solitamente il driver non è sviluppato da chi costruisce il SO (es. Microsoft) ma da chi costruisce il dispositivo Quando viene acquistata una nuova periferica il driver corrispondente deve essere inserito nel Sistema Operativo (installazione) –operazione rischiosa, perché se il nuovo driver è difettoso può rovinare il vostro sistema (il driver essendo nel SO ha accesso a tutta la macchina senza restrizioni!….)

32 32 Driver e controller (3) Quando si installa un nuovo driver bisogna fornirgli delle informazioni a basso livello per permettergli di colloquiare correttamente con il resto del sistema (configurazione) –es: stabilire quali linee del bus utilizzare per inviare una interruzione... Periferiche plug&play : quelle per cui la configurazione può essere fatta automaticamente dal sistema –sono generalmente tutte così nei PC odierni

33 33 Il File system

34 34 File System È la parte del SO che –permette di memorizzare dati e programmi in modo persistente –permette di organizzare dati e programmi in modo da renderne agevole la localizzazione da parte dell’utente umano –può essere modificata per cancellare dati obsoleti, aggiornare l’organizzazione etc..

35 35 File System (2) Le astrazioni fornite sono : –il file (o archivio) : una sequenza di byte che contiene dati o programmi rappresentati con una opportuna codifica binaria –il folder/directory (o cartella) : astrazione che permette di collezionare insieme più file e/o folder

36 36 File System (3) Esempio : una possibile organizzazione dei file relativi ai diversi corsi che insegno File: lucidi lez1 File: lucidi lez2 File: compiti e voti Folder : inf_gen Folder : sis_op Folder : corsi

37 37 File System (4) La struttura è gerarchica (ad albero) File: lucidi lez2 File: compiti e voti Folder : inf_gen Folder : corsi Folder : sis_op File: lucidi lez1 Contenuto del folder ‘corsi’

38 38 File System (5) La struttura è gerarchica (ad albero) File: lucidi lez2 File: compiti e voti Folder : inf_gen Folder : corsi Folder : sis_op File: lucidi lez1 Contenuti dei due folder inf_gen e sis_op

39 39 File Come si crea un file –utilizzando una applicazione editori di testi per creare file di testo secondo diversi formati (doc,html,text) es. Word applicazioni per gestire grandi quantita’ di dati persistenti (basi di dati) es. Access fogli elettronici es. Excel –dando comandi diretti al SO es. chiedendo di duplicare un file esistente (taglia e incolla …) via shell o interfaccia grafica

40 40 File (2) Nome di un file –ogni file ha un nome (es lez1.doc, lez2.ppt etc) –il nome deve essere unico nel folder che contiene il file –la parte dopo il punto (.) si chiama ‘estensione’ di solito l’estensione da informazione sul formato del file e/o sull’applicazione utilizzata per crearlo lez2.ppt estensione

41 41 File (3) Nome di un file (cont.) –alcuni SO (come Windows) non mostrano normalmente l’estensione lez1.doc viene mostrato come ‘lez1’ –tuttavia l’estensione è presente e serve al sistema per capire che tipo di file è e quale applicazione attivare quando desideriamo ‘leggerlo’ es. un doppio click su un file lez1 attiva automaticamente Word per visualizzarlo

42 42 Folder Anche i folder sono identificati univocamente da nomi –es inf_gen, corsi –non usano estensioni contengono solo informazioni sui file/folder contenuti (il formato di queste dipende dal dal file system usato, e quindi dal SO) non dobbiamo discriminare fra codifiche diverse

43 43 Folder (2) Per creare un folder basta invocare una opportuna funzione del SO –es. scegliere una opportuna opzione (new folder,nuova cartella) in un menu dell’interfaccia grafica Per cancellare file/folder basta invocare una opportuna funzione del SO –es. trascinarli con il mouse fino al cestino I file/folder possono essere spostati da un folder all’altro

44 44 Sicurezza Come evitare che i nostri file siano letti da altri utenti che hanno accesso al sistema? –Assegnare ad ogni utente : Account (nome unico identificativo) e password (segreta, abbastanza complessa!) –Ogni file appartiene ad un utente –Il proprietario può specificare se un file può essere letto o scritto anche da altri –Il file system al momento dell’accesso controlla che l’operazione sia effettivamente consentita

45 45 Sicurezza (2) Il superutente (root,administrator) –E’ l’account dell’amministratore del sistema –Può accedere in maniera non ristretta dappertutto –I file del sistema operativo sono generalmente dell’utente root e non sono accessibili da nessun altro utente –…… ovviamente il superutente è oggetto di numerosi tentativi di violazione termini come attack, hacker si riferiscono a questo

46 46 Sicurezza (3) I vecchi sistemi Windows (3.1,95,98) non avevano alcun meccanismo di protezione –tutto gira in stato kernel –da cui la facilità di danneggiare il sistema operativo o i file utente (es. con virus) –molto pericoloso in connessioni Internet non sporadiche Windows NT, 2000, XP sono protetti –è necessario però creare utenti non privilegiati Sistemi Unix/Linux protetti fino dagli anni 70

47 47 Le applicazioni

48 48 Quali sono tipici programmi applicativi ? Hardware Sistema Operativo Applicazioni È il livello di SW con cui interagisce l’utente e comprende programmi quali : Compilatori Editori di testi Fogli elettronici Sistemi bancari Navigatori per Web ….. Girano in stato utente ! È il livello di SW che interagisce direttamente con l’hw e che si occupa di un uso corretto ed efficiente delle risorse fisiche (processore, memorie, periferiche etc.) Windows Unix/Linux Mac OS gcc, Word, PowerPoint Excel, Explorer Fotoshop, Gimp

49 49 Tipica struttura di un programma applicativo Interfaccia Utente (IU) Programma applicativo Gestione dati Si occupa di memorizzare e recuperare efficientemente i dati es : (WORD) testi scritti, modelli, dizionari Implementa gli algoritmi di manipolazione dati specifici dell’applicazione es : (WORD) formattazione testo, ricerca parole etc. Parte del programma con cui interagisce l’utente per richiedere l’esecuzione di particolari funzioni es : (WORD) finestre testo, icone, menu...

50 50 Come si avvia un computer... Dove è contenuto il SO ? Come si attiva?

51 51 Al momento dell’accensione …. La RAM è vuota (è volatile!) Il processore è capace di eseguire solo programmi contenuti nella RAM Il sistema operativo è memorizzato su disco ….????????????……. –Chi inizia l’esecuzione del SO e carica in RAM il primo programma da eseguire? –Chi visualizza messaggi sullo schermo?

52 52 BIOS (Basic Input Output System) Risiede in una memoria speciale, non volatile in sola lettura (ROM) –è scritto al momento della costruzione del computer e non modificabile È un programma che permette di –identificare le caratteristiche dell’hw della macchina (processore, memoria, periferiche) –identificare la parte di disco dove si trova il SO –caricare in RAM le parti essenziali del sistema operativo e mandarlo in esecuzione