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
Utente
HW
macchina virtuale
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
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
dat
BUFFER
MEMORIA
CENTRALE
listener
Monitor
file manager
terminal driver
disk driver
dat
BUFFER
Disco rigido
148.608.043.200.010
timer
Tastiera
Ogni carattere dato in input dalla tastiera viene
ricevuto dal terminal driver che lo invia al monitor per
la visualizzazione
Esempio
01/04/03
BUFFER
MEMORIA
CENTRALE
date
listener
Monitor
file manager
terminal driver
disk driver
BUFFER
Disco rigido
148.608.043.200.104
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 95-982000)
Sistemi operativi multi-utente:
 UNIX (Workstation, PC: LINUX)
– Utilizzato per computer collegati in rete
– supporta varie interfacce grafiche (a
finestre)
 Windows NT
– Utilizzato per computer collegati in rete
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
Un processo può trovarsi in tre diversi stati:

in esecuzione,
processore;
quando
sta
utilizzando
il

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
terminazione
in_esecuzione
scambio
esecuzione
richiesta I/O o risorsa
pronto
creazione
in_attesa
I/O terminato o
risorsa disponibile
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
P3/1
P2/1
P1/1
P2/2
P1/2
P1/3
P1/3
P3/2
P2/1
P3/1
P2/2
P2/3
P2/3
P3/2
P1/1
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
RAM
P1/2
P3/1
P2/1
P1/1
P2/2
P1/2
P1/3
P1/3
P3/1
P3/2
P2/1
P2/2
P2/3

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