1) Interruzioni, multiprogrammazione

Sistema Operativo

• Gestisce le risorse hardware di un sistema computerizzato
• Include uno o più processori
• Usa la memoria primaria (RAM)
• Controlla i dispositivi di input/output
• Gestisce la memoria secondaria (dischi)
• Include una rete
• Fornisce servizi agli utenti, sia agli sviluppatori che agli utilizzatori semplici
• Offre un ambiente di esecuzione "facilitato" alle applicazioni
• Fornisce un ambiente grafico per eseguire applicazioni

Componenti di un Computer Monoprocessore

• Diagramma che mostra le componenti di un computer monoprocessore, CPU (processore), bus di sistema, memoria principale e modulo I/O
• Le componenti includono:
  • Program Counter (PC)
  • Registro Istruzione (IR)
  • Memory Address Register (MAR)
  • Memory Buffer Register (MBR)
  • Input/Output Address Register (I/O AR)
  • Input/Output Buffer Register (I/O BR)
• Il diagramma illustra come le componenti interagiscono attraverso il bus di sistema

Nozioni di Base: Parti Principali

• Il processore è il cervello del computer, responsabile delle computazioni
• La memoria principale, volatile, è persa quando il computer si spegne
• La memoria principale è talvolta chiamata memoria reale o primaria
• I moduli di input/output includono dispositivi di memoria secondaria (dischi non volatili) e dispositivi di comunicazione (schede di rete)
• Altre componenti includono tastiera, monitor, stampante, mouse, ecc.
• Il "Bus" di sistema è fondamentale per la comunicazione tra le diverse parti interne del computer, inclusi processore, memoria principale e moduli di input/output

Registri del Processore

• Registri visibili all'utente: utilizzati da programmatori in assembler o compilatori di linguaggi non interpretati.
• Registri di controllo e di stato: utilizzati dal processore per gestire le operazioni, e dal sistema operativo per controllare l'esecuzione dei programmi
• Registri "interni": utilizzati dal processore tramite microprogrammazione per comunicare con la memoria ed il modulo I/O

Registri Visibili dall'Utente

• Gli unici registri usati direttamente nei linguaggi di programmazione sono quelli visibili dall'utente.
• Essi possono contenere dati o indirizzi, e in quest'ultimo caso possono fungere da puntatori diretti o registri-indice per calcoli di indirizzi effettivi.
• I puntatori a segmento sono utilizzati se la memoria è divisa in segmenti.
• Esempio: in x86, registri come cs, ds, ss, es, fs, gs; in MIPS, $sp.

Registri Interni

• Memory Address Register (MAR): contiene l'indirizzo della prossima operazione di lettura/scrittura
• Memory Buffer Register (MBR): contiene i dati da scrivere in memoria, o fornisce i dati letti dalla memoria (es.: lw $s1, 0($s2))
• 1/O address register
• 1/O buffer register

Registri di Controllo e Stato

• Program Counter (PC): contiene l'indirizzo dell'istruzione da eseguire
• Instruction Register (IR): contiene l'istruzione più recentemente prelevata
• Program Status Word (PSW): contiene informazioni sullo stato, ad esempio se gli interrupt sono disabilitati
• Codici di condizione (flag): singoli bit che indicano il risultato di operazioni (es.: risultato positivo, negativo, zero, overflow, ...)
• Il PC viene modificato da istruzioni jump

Esecuzione di Istruzioni

• Due passi principali: fetch e execute
• Il processore preleva istruzioni dalla memoria principale
• Ogni istruzione prelevata viene eseguita

Prelievo ed Esecuzione di Istruzioni

• Il processore preleva l'istruzione dalla memoria principale
• Il Program Counter (PC) mantiene l'indirizzo dell'istruzione successiva da prelevare
• Il PC viene incrementato dopo ogni prelievo
• Se l'istruzione contiene una jump, il PC viene modificato dall'istruzione stessa

Registro dell'Istruzione

• L'istruzione prelevata viene caricata nel registro istruzione (IR)
• Categorie di istruzioni:
  • Scambio dati tra processore e memoria
  • Scambio dati tra processore e input/output
  • Manipolazione di dati (aritmetiche)
• Alcuni processori permettono l'utilizzo diretto della RAM per le operazioni aritmetiche.
• Operazioni di controllo, come salti condizionati o non, e operazioni riservate (disabilitazione interrupt, cache, paginazione/segmentazione)

Caratteristiche di una Macchina Ipotetica

• Formato delle istruzioni, definendo i campi opcode e indirizzo
• Formato degli interi
• Lista parziale degli opcode, che illustrano operazioni come caricamento (load) e memorizzazione (store) da/in memoria

Esempio di Esecuzione di un Programma

• Mostra lo schema di esempio delle operazioni di fetch e execute in memoria e registri per un'ipotetica CPU
• Il diagramma mostra i passi dell'esecuzione di un programma

Interruzioni

• Interazione software/hardware
• Interruzioni della normale esecuzione sequenziale del processore
• Tipicamente implementate da software di sistema
• Diverse classi di interruzioni (da programma, I/O, hardware, timer)
• Le interruzioni asincrone sono causate da eventi che avvengono in modo indipendente dall'esecuzione delle istruzioni (es. I/O).
• Le interruzioni sincrone avvengono invece in modo correlato all'esecuzione di una specifica istruzione (es. overflow, divisione per zero).

Interruzioni Asincrone vs. Sincrone

• Interruzioni sincrone (da programma): sono correlate all'esecuzione di una certa istruzione specifica.
• Interruzioni asincrone: sono tipicamente sollevate dopo l'istruzione che le ha causate. Alcune possono anche non essere causate dall'esecuzione stessa delle istruzioni.

Classi di Interruzioni Asincrone

• Interruzioni da input/output: indicate dal controllore di un dispositivo
• Interruzioni da fallimento HW: causate da eventi improvvisi come mancanza di potenza o errori di parità in memoria.
• Interruzioni da comunicazione tra CPU: in sistemi con più di una CPU.
• Interruzioni da timer: generate da un timer interno che permette operazioni a intervalli regolari. (Intel, tipiche).

Classi di Interruzioni Sincrone

• Errori come overflow o divisione per zero
• Debugging (single step o breakpoint)
• Riferimenti ad indirizzi di memoria non validi
• Operazioni su opcode o operandi non allineati
• Chiamata a system call

Interruzioni ed Istruzioni di Ritorno

• Per le interruzioni asincrone, una volta terminato l'handler, l'esecuzione riprende dall'istruzione immediatamente successiva a quella interrotta.
• Con le eccezioni sincrone, il comportamento varia a seconda che l'errore sia correggibile o no.
• Fault (errore correggibile): indica l'esecuzione della stessa istruzione.
• Aborts (errore non correggibile): indica l'esecuzione di software specifico collegato all'errore.
• Trap e system calls: continuano dall'istruzione successiva.

Fase di Interruzione

• Controllo delle interruzioni durante il ciclo fetch-execute
• Sospensione del programma e esecuzione di un interrupt handler.

Interruzioni Trasferimento del Controllo

• L'interrupt handler è una funzione speciale nel sistema che viene eseguita in caso di interruzione.
• Il sistema operativo e il hardware collaborano per salvare l'informazione
• Questo include il salvataggio dello stato corrente del programma.

Interruzioni Modifiche a Memoria e Registri

• Mostra come il processore modifica la memoria e i registri durante l'esecuzione di un handler di interruzione
• Illustra un'interruzione correttiva, in cui l'esecuzione continua dall'istruzione successiva all'interruzione stessa (es. page fault)

Interruzioni Disabilitate

• Schema di diagramma che mostra le fasi di fetch, execute e interrupt quando gli interrupt sono disabilitati.

Interruzioni Sequenziali ed Annidate

• Mostra il flusso sequenziale o annidato di elaborazione delle interruzioni, in cui un'interruzione interrompe un'altra interruzione.

I/O Programmato

• Il modulo I/O effettua l'operazione
• Il processore deve continuare a controllare lo stato dell'operazione finché non si completa
• Nessuna interruzione necessaria

I/O da Interruzioni

• II processore viene interrotto quando il modulo I/O è pronto
• Il processore salva il contesto e esegue il gestore dell'interruzione
• Molto meno attesa del processore

Programma: Flusso di Controllo

• Grafici che mostrano come il flusso di controllo di un programma varia a seconda della presenza o meno di interruzioni, e in base alla durata dell'attesa sull'operazione di I/O

Accesso Diretto in Memoria

• Metodo più comune nei sistemi attuali per trasferimento di dati tra dispositivo I/O e memoria di sistema
• Il processore assegna al DMA la gestione delle operazioni
• Viene utilizzata un'interruzione quando la traslazione è completata
• Metodo più efficiente per trasferimento bulk di dati

Multiprogrammazione

• I processori devono gestire più programmi contemporaneamente.
• La sequenza di esecuzione dipende dalla loro priorita o dal fatto di poter stare in attesa di operazioni di memoria I/O

Gerarchia della Memoria

• Distinzione tra memoria in-board e out-board e offline
• All'aumentare, della distanza dalla CPU, diminuisce la velocità di accesso, aumenta la capacità e decresce il costo al bit

Gerarchia della Memoria: Memoria Secondaria

• Memoria "ausiliaria" e "esterna", non volatile

Gerarchia della Memoria: Memoria Cache

• Memoria piccola e veloce utilizzata per evitare tempi di attesa troppo lunghi per accesso a memoria principale

Cache e Memoria Principale

• Rappresentazione schematica della comunicazione tra CPU, Cache e Memoria

Cache: Nozioni di Base

• La cache contiene copie di porzioni di memoria principale.
• Il processore controlla prima la cache per i dati, e caricherà il dato nella cache se non lo trova.

Cache vs. Memoria Principale

• Rappresentazione schematica di cache e memoria principale
• (K= numero di parole)
• numero di linee=2^N

Lettura dalla Cache

• Diagramma a blocchi che mostra il processo di lettura da cache.

Cache: Nozioni di Base

• La capacità della cache influisce sulle prestazioni
• La misura dei blocchi influisce sul numero di accessi riusciti

Cache: Funzione di Mappatura

• Determinazione della posizione in cache per i blocchi di memoria principale

Cache: Politica di Scrittura

• Come avviene la scrittura dalla cache e in memoria

La Cache nei Pentium i7

• Struttura della cache nei processori Intel Core i5 e i7, indicando i livelli di cache (L1, L2, L3) e la loro organizzazione.

La Cache nei Pentium i7

Descrive le caratteristiche delle cache nei processori Pentium i7, inclusa la dimensione delle cache line (64 byte) e delle parole (64 bit), numero di cache.

Sistemi Operativi

• I sistemi operativi gestiscono programmi applicativi
• Preparano l’ambiente di esecuzione, rispondono alle richieste, gestiscono la terminazione
• I sistemi operativi fungono da interfaccia tra applicativi e hardware
• Tra gli obiettivi principali di un sistema operativo si annovera la convenienza, efficienza, e la capacità di evolversi nel tempo.

Sistema Operativo

• Descrive un sistema operativo come programma che gestisce le risorse (RAM, I/O) del sistema.

Kernel

• La parte centrale del sistema operativo che rimane in memoria
• Contiene funzioni frequentemente usate
• Agisce come nucleo centrale del sistema

Evoluzione dei Sistemi Operativi

• L'evoluzione dei sistemi operativi è graduale, con modifiche guidate da aggiornamenti hardware e software.

Storia dei Sistemi Operativi

• Computazione seriale (anni ’40).
• Sistema operativo rudimentale.
• Output da console (spie, interruttori, e stampanti).

Storia dei Sistemi Operativi

• Input tramite schede perforate
• Descrizione dei dispositivi utilizzati in passato per input/output.

Storia dei Sistemi Operativi

• Descrive sistemi batch semplici degli anni ’50/’60, con operazioni controllate da programmi esterni.
• I sistemi usavano linguaggi di controllo dei job per gestire la sequenza dei processi.

Caratteristiche Hardware

• Protezione della memoria per evitare la modifica della zona relativa al monitor
• Caratteristiche hardware per impedire il monopolio del sistema da parte di un singolo job

Protezione della Memoria

• Modalità utente e modalità sistema
• Modalità utente per programmi utente.
• Modalità sistema per programmi di gestione e controllo.

Sistemi Batch: Sottoutilizzazione

• Un'analisi esemplificativa del tempo sprecato nei sistemi batch in attesa di I/O
• Calcolo percentuale di utilizzo della CPU

Programmazione Singola

• Spiega il concetto di programmazione singola, in cui la CPU attende la fine dell'operazione I/O prima di passare al successivo programma.

Multiprogrammazione

• Il processore può passare a un altro job se uno deve aspettare.

Multiprogrammazione

• Mostra un esempio di multiprogrammazione con tre programmi, evidenziando l'utilizzo condiviso del processore.

Esempio

• Mostra un esempio di tre tipologie di job, elencando le risorse richieste.

Istogrammi di Utilizzo

• Istogramma che evidenzia l'utilizzo di uniprogramming e multiprogramming per CPU, memoria, disco, terminale e stampante.

Uso del Processore

• Riassumendo le informazioni sull'utilizzo CPU per uniprogramming e multiprogramming, utilizzando un esempio di job.

Sistemi Time Sharing

• I principali sistemi di condivisione del tempo, caratterizzati da multiprogrammazione e condivisione del processore tra più utenti.

Batch vs. Time Sharing

• Confronta batch e time sharing in termini di metodi di invio di istruzioni di controllo, e risposta.

Storia dei Sistemi Operativi

• Riassunto delle fasi storiche, da computazione seriale ai sistemi time-sharing.

Storia dei Sistemi Operativi: Risultati più Importanti

• Processi, gestione della memoria, sicurezza delle informazioni, gestione dello scheduling, strutturazione del sistema.

Dal Job al Processo

• Descrive il processo come l'unione di concetti di job interattivi e non interattivi, comprendendo anche quelli real-time.

Multiprogrammazione dei Processi: Difficoltà

• Problemi di sincronizzazione dovuti a interruzioni, mutua esclusione
• Programmi con esecuzione non deterministica, con accessibilità a memoria modificata da processi diversi

Gestione della Memoria

• Isolamento dei processi
• Protezione e controllo accessi
• Gestione di allocazione/deallocazione automatica
• Supporto per programmazione modulare (stack)
• Memorizzazione a lungo termine e memoria virtuale (pagine)

Protezione dell'Informazione e Sicurezza

• Concetti di disponibilità, confidenzialità e integrità dei dati
• Processo di verifica di identità: autenticazione

Pianificazione e Gestione delle Risorse

• Equità e fairness nell'assegnazione delle risorse
• Velocità di risposta differenziata a seconda del tipo di processo
• Efficienza: massimizzare l'utilizzo delle risorse.

Elementi Principali di un Sistemi Operativo

• Diagramma che mostra i componenti di un sistema operativo, compresi i handler, le code di processi e il schedulatore.

Struttura del Sistema Operativo

• Struttura dei livelli: livello 1 (elettrico), livello 2 (istruzioni macchina), livello 3 (procedure), livello 4 (interruzioni).

Livelli: Multiprogrammazione

• Livello 5 (gestione processi), 6 (memoria secondaria), 7 (indirizzi virtuali)

Livelli: Dispositivi Esterni

• Livello 8 (comunicazioni), 9 (file system), 10-13 (dispositivi esterni, associazioni, interfacce)

Architettura di UNIX

• Diagramma che illustra l'architettura di UNIX, con kernel, comandi UNIX, librerie e applicazioni utente.

Kernel Tradizionale di UNIX

• Stratificazione del kernel tradizionale di UNIX, con i diversi sottosistemi e le interfacce.

Kernel Moderno di UNIX

• Schema che mostra l'architettura del kernel moderno di UNIX.

Kernel Moderno di Linux

• Come il kernel Linux è comprensivo tra monolitico e microkernel, e come ogni parte del sistema operazione lavora in cooperazione.

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• Elenco dei temi principali trattati nel corso.

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