Chi gestisce l'hardware? - Unicas
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Chi gestisce l’hardware?
Bus di sistema
CPU Memoria Interfaccia Interfaccia
Centrale
Periferica Periferica
1 N
• Il computer è formato da un insieme di
dispositivi complessi, che interagiscono in
maniera complessa Unità esterne
• A chi è affidata la gestione?
• Come può l’utente interagire efficacemente
con il sistema?
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Ci serve il software
• L’utente di un computer non può interagire direttamente con
l’hardware perché:
è troppo complesso da gestire
offre dei servizi di livello estremamente basso
richiede conoscenze estremamente specialistiche
l’architettura hardware può essere estremamente diversa da
computer a computer
• Il Sistema Operativo (Operating System, OS) è un software apposito
che offre all’utente gli strumenti per svolgere le operazioni necessarie
e gestire le risorse a disposizione.
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Sistema Operativo
Il Sistema Operativo è uno strato software che:
• opera direttamente sull’hardware;
• isola dai dettagli dell’architettura hardware;
• fornisce un insieme di funzionalità di alto livello;
Obiettivi
• Convenienza
Rende l’utilizzo del computer più semplice ed intuitivo
• Efficienza
Permette di impiegare le risorse del sistema in maniera più efficiente
• Capacità di evoluzione
Permette l’introduzione di nuove funzionalità e/o il miglioramento delle
risorse hardware senza interferire con il servizio svolto
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Sistema Operativo
• Il sistema operativo è oggigiorno un software indispensabile,
è il primo ad essere eseguito all’accensione del computer e
resta sempre in RAM
• Esempi di S.O.:
MS Windows 95, 98, NT, 2000, XP, 7, 8, 10
Mac OS
Unix
Linux Debian, Ubuntu, RedHat, CentOS, Suse, ecc.
• I programmi sono realizzati per essere eseguiti su un certo
sistema operativo
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Servizi del Sistema Operativo
• Esecuzione dei programmi
Gestione del multitasking
• Accesso ai dispositivi di I/O e di memoria di massa
• Accesso controllato ai file
Organizzazione logica dei dischi
• Accesso al sistema
Criteri di protezione
• Il sistema operativo fornisce tutti i suoi servizi solo attraverso le
chiamate di sistema, un insieme di istruzioni che costituiscono
l’interfaccia del sistema operativo verso l’esterno.
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Struttura del Sistema Operativo
• A causa della loro complessità, i sistemi operativi sono di solito strutturati
come una serie di livelli (architettura a buccia di cipolla).
• Ogni livello realizza un sottoinsieme di funzioni attraverso una macchina
virtuale che nasconde i meccanismi implementativi e offre un insieme ben
definito di funzionalità ai livelli superiori.
Università degli Studi di
C. Marrocco Cassino e del Lazio MeridionaleStruttura del Sistema Operativo
Hardware
Nucleo
Gestione memoria
Programmi
utente
Gestione periferiche
File system
Interprete comandi Università degli Studi di
C. Marrocco Cassino e del Lazio MeridionaleLa struttura della famiglia Unix
Università degli Studi di
C. Marrocco Cassino e del Lazio MeridionaleLa struttura di Windows NT/2000
Università degli Studi di
C. Marrocco Cassino e del Lazio MeridionaleL’interprete dei comandi
• L’interprete dei comandi (o shell) è la parte più esterna del sistema operativo
con la quale l’utente interagisce.
• Attraverso l’interprete, l’utente richiede un servizio al sistema operativo
(esecuzione di un programma, copia di un file, ecc.)
– l’utente inserisce un comando in accordo ad una certa sintassi;
– l’interprete riconosce il comando ed attiva una serie di funzioni dei livelli
interni;
– l’esecuzione di tali funzioni porta al compimento del comando richiesto.
• L’interprete si presenta
con un’interfaccia di tipo alfanumerico.
con un’interfaccia di tipo grafico (Graphical User Interface, GUI).
Università degli Studi di
C. Marrocco Cassino e del Lazio MeridionaleL’interprete dei comandi
comandi
Interfaccia alfanumerica (finestra DOS)
uscite
Università degli Studi di
C. Marrocco Cassino e del Lazio MeridionaleL’interprete dei comandi
Interfaccia
GUI
Università degli Studi di
C. Marrocco Cassino e del Lazio MeridionaleFiles e File system
• Il File System offre una visione logica uniforme della memorizzazione
permanente dei dati basata su un’unità di memoria logica, il file, definita
indipendentemente dalle caratteristiche fisiche delle particolari unità.
• Il file è un insieme di informazioni correlate e registrate nella memoria di
massa ed è identificato da un nome, che può essere formato da più
sottoparti.
nome: si riferisce ai contenuti del file.
estensione: si riferisce al tipo del file.
• Dal punto di vista dell’utente, un file è la più piccola porzione (logica) di
memoria secondaria: i dati, cioè, possono essere scritti nella memoria
secondaria solo all’interno di un file.
Università degli Studi di
C. Marrocco Cassino e del Lazio MeridionaleContenuto dei files
• Le informazioni registrate all’interno di un file sono di due tipi:
dati veri e propri
programmi eseguibili
testi
immagini
dati numerici
…
attributi di interesse per l’utente
dimensione del file
data di creazione e/o ultima modifica
permessi di accesso
Università degli Studi di
C. Marrocco Cassino e del Lazio MeridionaleOrganizzazione logica dei files
• L’insieme dei files presenti in memoria di massa è organizzato secondo una
struttura gerarchica ad albero, in cui i nodi intermedi costituiscono le
directories (che raggruppano altri files e directories secondo un criterio di
omogeneità), mentre le foglie rappresentano i files.
• All’interno di tale struttura, un
particolare file è univocamente
identificato dal path (o percorso) che
localizza la directory in cui il file è
memorizzato.
• Files nella stessa directory non
possono avere lo stesso nome.
Università degli Studi di
C. Marrocco Cassino e del Lazio MeridionaleTree-Structured Directories
Linux file system
Università degli Studi di
C. Marrocco Cassino e del Lazio MeridionaleDal file system alla memoria di massa
Università degli Studi di
C. Marrocco Cassino e del Lazio MeridionaleLe memorie di massa
• Le unità di memoria di massa forniscono il supporto fisico per la
memorizzazione non volatile di grosse moli di dati e presentano
caratteristiche estremamente diverse a seconda della casa
costruttrice e del tipo di unità..
• Rispetto alla memoria principale
ha una capacità molto maggiore;
ha una minore velocità di accesso
• La tecnologia utilizzata per la memorizzazione può essere di tipo
magnetico, elettronico o ottico.
• Il supporto è tipicamente un disco (magnetico, ottico) oppure una
memoria allo stato solido (SSD) ma sono memorie di massa anche
nastri, CD, DVD, memorie FLASH (Pendrive), ecc.
Università degli Studi di
C. Marrocco Cassino e del Lazio MeridionaleHard disk tradizionale (HDD)
Università degli Studi di
C. Marrocco Cassino e del Lazio MeridionaleStruttura di un Hard Disk
braccio testine
dischi
attuatore
• L’unità è in realtà costituita da diversi dischi. Entrambe le superfici di ogni
disco sono rivestite di materiale magnetico sul quale vengono memorizzate le
informazioni.
• Le operazioni di lettura e scrittura sono realizzate da testine, poste su bracci e
mosse da un attuatore.
Università degli Studi di
C. Marrocco Cassino e del Lazio MeridionaleUniversità degli Studi di C. Marrocco Cassino e del Lazio Meridionale
Organizzazione di un hard disk
• Tutte le informazioni memorizzate sul disco sono
organizzate in tracce (corone circolari concentriche
disposte sulla superficie del disco).
• Le tracce sono numerate a partire da zero dal bordo
del disco e procedendo verso l’interno.
• Ogni traccia è divisa in più blocchi (da 512 byte)
denominati settori, che sono le più piccole unità di
memorizzazione sul disco.
• Siccome l’unità è formata da più dischi, ad
ogni traccia su un disco corrispondono
tracce omologhe sugli altri dischi, che,
nell’insieme, formano un cilindro.
Università degli Studi di
C. Marrocco Cassino e del Lazio MeridionaleOperazioni su un hard disk
• Le informazioni memorizzate sul disco sono codificate sotto forma di stati di
memorizzazione di zone del materiale magnetico disposto sulla superficie del
disco.
• Le operazioni di lettura/scrittura sono realizzate dalle testine tramite le seguenti
fasi:
1. Posizionamento della testina sulla traccia (cilindro) di interesse;
2. Attesa del passaggio del settore di interesse;
3. Lettura o scrittura del dato. Accesso ai dati di tipo
random
• Date le alte velocità di rotazione, le
testine non toccano la superficie del
disco, ma “planano” su di essa,
mantenendosi ad una distanza
dell’ordine di 10-4 mm.
Università degli Studi di
C. Marrocco Cassino e del Lazio MeridionaleSolid State Drive (SSD)
• Un’unità a stato solido è una tipologia di memoria di massa che
utilizza una memoria flash a stato solido.
• La memoria SSD è costituita unicamente da componenti elettronici.
La totale assenza di parti meccaniche in movimento porta diversi
vantaggi:
Rumorosità assente
Minore probabilità di rottura e quindi maggiore durata
Minori consumi energetici
Tempo di accesso ridotto (decimi di millisecondo)
Maggiore resistenza agli urti
Minore surriscaldamento
Università degli Studi di
C. Marrocco Cassino e del Lazio MeridionaleOrganizzazione fisica dei files
• Un file è quindi composto da un insieme di settori distribuiti sul disco.
• In una zona speciale risiedono i metadati del singolo file (nome, ecc.)
insieme con l’elenco dei settori che lo formano.
• Da un punto di vista fisico, la registrazione del file sul disco viene
realizzata dal sistema operativo disponendo il contenuto del file su un
insieme di cluster possibilmente contigui.
• La registrazione dei dati è organizzata in maniera sequenziale, per
cui le operazioni di lettura e scrittura possono avvenire solo a partire
dall’inizio e procedendo verso la fine.
Università degli Studi di
C. Marrocco Cassino e del Lazio MeridionaleOrganizzazione fisica dei files
• Un cluster è la quantità minima di disco che può essere allocata per un
file ed è formata da un certo numero di settori consecutivi.
• La gestione e l’organizzazione dei cluster cambia a seconda del
sistema operativo.
• La successione dei blocchi nei quali sono memorizzati i bytes che lo
compongono può essere strutturata come:
Università degli Studi di
C. Marrocco Cassino e del Lazio MeridionaleGestione delle periferiche
• Le periferiche vengono gestite tramite meccanismi software chiamati
driver cui è affidato il compito di comunicare dati da e verso le periferiche.
• I driver garantiscono una visione di alto livello ai programmi che li usano
e permettono l'accesso alla periferica in ogni istante ad un solo processo
per volta.
• In particolare, si distingue fra:
Driver fisici (hardware): vengono attivati direttamente dal gestore delle
interruzioni per eseguire trasferimento e manipolazione dei dati.
Driver logici (software): fanno parte del sistema operativo e forniscono
una gerarchia di operazioni con un’organizzazione a strati.
Università degli Studi di
C. Marrocco Cassino e del Lazio MeridionaleGestione della memoria
• La parte del sistema operativo che si occupa della gestione della
memoria principale è il gestore della memoria (memory manager).
• I suoi principali compiti sono:
Sapere, in ogni istante, quali parti della memoria sono in uso e quali no.
Allocare memoria ai programmi che devono essere eseguiti.
Deallocare la memoria dei programmi che sono terminati.
Implementare il meccanismo della memoria virtuale.
Implementare un meccanismo di protezione sulla memoria allocata per
impedire che un programma possa accedere ad uno spazio di memoria
esterno a quello che gli è stato assegnato.
Università degli Studi di
C. Marrocco Cassino e del Lazio MeridionaleGestione dei processi
• Il compito principale del nucleo (kernel) o gestore dei processi è di
ottimizzare il tempo macchina ovvero l'utilizzo della risorsa CPU.
• Un processo è un programma in esecuzione caratterizzato da una
coppia di elementi: il codice eseguibile e lo stato del processo (ovvero
l’insieme dei valori contenuti nella memoria centrale, nell’insieme di
registri del processore, i thread, i descrittori dei file, ecc.)
• La macchina deve eseguire più processi “contemporaneamente”
(multiprogrammazione) ma generalmente si ha a disposizione un’unica
CPU che lavora in maniera sequenziale.
• L’unico modo è quello di simulare il parallelismo attraverso lo scheduling
e la parte del sistema operativo che si occupa della scheduling è lo
scheduler.
Università degli Studi di
C. Marrocco Cassino e del Lazio MeridionaleScheduling e interruzioni
• Lo scheduler gestisce una particolare struttura dati chiamata tabella dei processi
dove sono memorizzati tutti i dati relativi ai processi.
• La transizione tra i processi è possibile tramite un meccanismo hardware chiamato
interruzione (interrupt).
• Quando arriva un’interruzione lo scheduler salva in maniera automatica tutti i dati
relativi al processo e manda in esecuzione un altro processo.
• La sospensione deve avvenire in modo che il processo possa ripristinare il
contesto in cui si era interrotto in modo da non accorgersi dell’interruzione.
• Le interruzioni possono essere:
interne: viene generata internamente al processore in maniera sincrona (ad
es. se un processo richiede l’esecuzione di un’operazione di I/O).
esterne: è un evento asincrono in cui una periferica esterna comunica alla
CPUche ha terminato l’operazione richiesta (ad es. il processo ha terminato
l'operazione di I/O) oppure per segnalare errori software o guasti hardware.
Università degli Studi di
C. Marrocco Cassino e del Lazio MeridionaleGli stati di un processo
Fine esecuzione
PROCESSO IN ESECUZIONE Inizio esecuzione
2 3
1
PROCESSO IN ATTESA PROCESSO PRONTO
4
1. Il processo viene scelto dalla tabella dei
processi.
2. Interruzione interna (ad es. operazioni di Se non ci sono processi in esecuzione il
I/O). sistema operativo esegue un processo
3. Fine quanto di tempo o interruzione esterna. chiamato IDLE, il quale ha il solo
4. Il processo in attesa ha terminato le compito di tenere impegnata la CPU.
operazioni richieste ed è di nuovo pronto per
essere eseguito.
Università degli Studi di
C. Marrocco Cassino e del Lazio MeridionalePuoi anche leggere
