Sistemi Operativi e Funzioni

Introduzione ai Sistemi Operativi

• Il modulo I, secondo canale, del corso di laurea in informatica, tratta le nozioni di base dei sistemi operativi.
• Il corso è totalmente in presenza.
• Il corso è diviso in due moduli indipendenti (modulo 1 e 2), affrontati in semestri diversi.
• Il modulo 1 si tiene nel primo semestre, mentre il modulo 2 nel secondo.
• Ogni modulo ha 6 crediti formativi universitari (CFU).
• I docenti dei due moduli sono diversi.
• L'esame di Sistemi Operativi è unico ma si compone di due prove separate, con regole differenti, per il superamento di ciascun modulo.
• Le date degli esami per i moduli sono diverse.
• Per poter verbalizzare l'esame, è necessario superare entrambi i moduli.
• Il voto finale è la media aritmetica dei voti dei due moduli.
• Le regole per gli esami straordinari sono diverse da quelle degli esami normali e sono specificate nel materiale didattico.

Informazioni Generali sul Corso

• Il corso di Sistemi Operativi ha 12 CFU.
• È un corso obbligatorio per gli studenti di Informatica, sia in presenza che a distanza (teledidattica)
• Il corso in presenza si svolge in 2 canali diversi.
• Gli studenti del secondo canale si esamineranno con il docente Fabio De Gaspari.
• Gli studenti del primo canale si esamineranno con il Prof. Tolomei.
• Le uniche eccezioni ai canali sono per i cambi di canale ufficiali.
• Studenti in teledidattica si esamineranno con il docente assegnato al corso.
• Gli esami per gli studenti in presenza e a distanza si svolgeranno in contemporanea.
• Sistemi Operativi è un corso a due "facce", suddiviso in due moduli separati per quanto concerne le lezioni e le modalità di esame.
• L'esame verbalizzato vale 12 CFU.
• I moduli possono essere superati in qualsiasi ordine, ma la data entro cui completare la prima e seconda parte dell'esame dovrà essere rispettata.
• Gli studenti che hanno completato il corso potranno verbalizzare i voti entro l'anno successivo, a fine semestre.

Regole per gli Esami

• Gli appelli d'esame sono composti di una prova scritta e sono divisi in due parti.
• La prima parte si compone di domande a risposta multipla.
• La seconda parte è costituita da domande aperte.
• Per accedere alla seconda parte, è necessario ottenere almeno l'80% del punteggio massimo nella prima parte.
• L'esame scritto si compone di 25 domande a risposta multipla, da svolgere in 30 minuti.
• Ogni domanda ha 4 opzioni, di cui solo una corretta.
• Il punteggio per le domande a risposta multipla è di 1 punto per ogni risposta corretta.
• Il punteggio per le domande aperte varia in base al numero di risposte corrette.
• L'esame in presenza si svolge al computer.
• Se ci sono troppi iscritti, vengono formati più turni, ciascuno della durata di un'ora circa.
• La correzione dello scritto è su richiesta.
• Per partecipare agli esami straordinari, è necessario seguire le istruzioni pubblicate nel sito.
• Per gli esami normali, la prenotazione è necessaria e sufficiente.

Cosa Verrà Insegnato in Questo Corso

• Il corso si concentra sul funzionamento dei computer.
• Si approfondiranno le tematiche inerenti la memoria, i registri e i dispositivi di input/output, le interruzioni, la cache e la multiprogrammazione.
• Si spiegherà come un computer accetta ed elabora i dati, come vengono svolti i calcoli e come avviene la comunicazione.

Nozioni di Base: Parti Principali

• Il processore è il cervello del computer, responsabile di tutte le computazioni.
• La memoria principale (volatile) memorizza il contenuto attivo.
• I moduli di input/output gestiscono le interazioni con i dispositivi esterni.
• Il bus è il mezzo che permette la comunicazione tra le diverse parti del computer.

Registri del Processore

• I registri visibili dall'utente servono a contenere dati o indirizzi
• per le istruzioni macchina vengono utilizzati registri-indice, contenenti dati di indirizzi base o di inizio segmento
• I registri di controllo e di stato sono utilizzati dal processore per il controllo del suo utilizzo.
• I registri interni sono utilizzati dal processore per comunicare con la memoria ed i dispositivi di input/output.

Registri Visibili dall'Utente

• Alcuni esempi di registri visibili dall'utente in linguaggio macchina.
• Il funzionamento dei registri-indice e puntatori diretti, per l'indirizzamento degli indirizzi effettivi.
• Il funzionamento dei registri nella PlayStation (MIPS)
• Il funzionamento dei registri in architettura x86

Registri Interni

• MAR (Memory Address Register): contiene l'indirizzo di una locazione di memoria da leggere o scrivere.
• MBR (Memory Buffer Register): contiene i dati che devono essere letti o scritti in memoria.
• I/O address register: contiene l'indirizzo del dispositivo di I/O.
• I/O buffer register: contiene i dati che devono essere inviati o ricevuti dal dispositivo di I/O.

Registri di Controllo e Stato

• I registri di controllo e stato sono registri contenuti nel processore.
• Essi contengono il PC (Program Counter), che tiene traccia dell'istruzione successiva da eseguire.
• L'IR (Instruction Register) contiene l'istruzione corrente.
• Il PSW (Program Status Word) contiene informazioni sullo stato del processore, come lo stato dei flag (es. risultato di un'operazione, interrupt abilitati/disabilitati).
• I flag sono singoli bit utilizzati per memorizzare i risultati di un'operazione o altri dettagli sulle condizioni correnti del processore, come se un'interruzione sia stata abilitata o meno.

Esecuzione di Istruzioni

• L'esecuzione delle istruzioni avviene in due fasi principali:
• Fetch Stage: prelievo dell'istruzione dalla memoria.
• Execute Stage: esecuzione dell'istruzione.

Prelievo ed Esecuzione di Istruzioni

In sintesi, il processore preleva le istruzioni dalla memoria principale, mantiene traccia dell’indirizzo della prossima istruzione da prelevare e incrementa il PC dopo ogni prelievo. In caso di un’istruzione jump, il PC viene modificato dall’istruzione stessa e in questo modo vengono svolte le azioni specifiche.

Registro dell'Istruzione

• Il registro dell'Istruzione (IR) conserva l'istruzione prelevata.
• Le categorie di istruzioni includono quelle per lo scambio dati, la manipolazione di dati, e il controllo.
• Le istruzioni aritmetiche potrebbero essere eseguite direttamente nella memoria (ad esempio, sulle RAM nel processore x86).

Caratteristiche di una Macchina Ipotetica

• Descrizione di un formato standard di istruzioni (opcode e indirizzo) per le istruzioni di una macchina ipotetica.
• Descrizione di un formato standard per numeri interi (b).
• Descrizione dei registri interni alla CPU della macchina.
• Descrizione di un elenco parziale di opcode per la macchina.

Esempio di Esecuzione di un Programma

• Esempio di uno scenario di esecuzione di un programma per una macchina ipotetica, dove vengono mostrate le modifiche a memoria e ai registri.

Interruzioni

• Il paradigma hardware/software interagisce tramite le interruzioni, che interrompono la normale esecuzione sequenziale del processore.
• Le interruzioni possono essere sincronizzate (o asincrone).
• Le interruzioni di programma sono causate da overflow, divisione per zero o altri errori.
• Le interruzioni asincrone sono causate da dispositivi di I/O, fallimenti hardware, timer e altre circostanze.
• L'handler di un'interruzione è una routine specifica che si occupa di gestire il processo di interruzione.

Interruzioni Asincrone vs. Sincrone

• Le interruzioni sincronizzate sono quelle le cui cause sono direttamente correlate con l'istruzione corrente, mentre quelle asincrone sono causate da altri eventi o condizioni che non sono direttamente relazionate con l'esecuzione di un’istruzione.

Classi di Interruzioni Asincrone

• Interruzioni di input/output
• Interruzioni di fallimento HW
• Interruzioni da comunicazione tra CPU
• Interruzioni da timer

Classi di Interruzioni Sincrone

• Overflow
• Divisione per zero
• Debugging
• Riferimento ad indirizzo di memoria non valido
• Errore nell'esecuzione di un'istruzione
• Operazione non supportata
• Chiamata a system call

Interruzioni ed Istruzione di Ritorno

• Il funzionamento dei diversi tipi di interruzione, ed i meccanismi di ritorno a seguire l’attività.
• Cause di fault, abort, ecc.

Fase di Interruzione

• Spiegazione dei cicli fetch-execute in cui vengono gestite le interruzioni.
• Quando un'interruzione si verifica, il programma corrente viene sospeso e viene eseguita una routine interrupt-handler.

Interruzioni: Trasferimento del Controllo

Un interrupt handler è una subroutine specializzata nel programma che è deputata a gestire un'interruzione, essa è eseguita dal sistema operativo e non dal programma utente

Interruzioni: Modifiche a Memoria e Registri

• Le modifiche apportate alla memoria ed ai registri durante l'esecuzione dell'interrupt handler.

Interruzioni Disabilitate

• La fase di fetch-execute in cui vengono disabilitate le interruzioni.

Interruzioni: Sequenziali ed Annidate

• Interruzioni sequenziali ed annidate: i meccanismi di funzionamento di una sequenza o di un'attività annidata di interrupted.

1/O Programmato

• In sintesi, il modo più vecchio di fare I/O, dove l’azione viene svolta direttamente dal modulo di I/O e il processore aspetta fino al completamento dell’operazione. (senza interrompersi).

I/O da Interruzioni

• Il processore viene interrotto quando il modulo I/O è pronto a scambiare dati.
• Il processore salva il suo stato attuale e controlla il modulo I/O, eseguendo l'operazione richiesta.

Programma: Flusso di Controllo

• Rappresentazione grafica dei flussi di controllo in scenari con/senza interruzioni di tipo I/O.

Accesso Diretto in Memoria (DMA)

• Descrizione della tecnica DMA per trasmettere blocchi di dati alla volta tra la memoria principale e i dispositivi di I/O.
• Spiega il funzionamento della tecnica e le sue implicazioni sulla gestione delle I/O.

Multiprogrammazione

• Il processore può eseguire contemporaneamente diversi programmi.
• Gestione dei compiti in sequenza e dei tempi di attesa.

Esempio

• Un esempio di diversi job, con loro durata, dimensioni della memoria necessaria e se richiedono teriminale o stampante.

Istogrammi di Utilizzo

• Grafici che mostrano l'utilizzo del processore, memoria, disco, terminale e stampante a livello uniprogammazione e multiprogammazione.

Uso del Processore

• Valori di Throughput, Tempo di risposta e Percentuale di utilizzo del processore per uniprogramming e multiprogramming.

Sistemi Time Sharing

• Letteralmente "condivisione di tempo".
• Gestione contemporanea e interattiva di più jobs.
• Il tempo del processore è condiviso tra vari utenti.

Batch vs. Time Sharing

• Differenze tra i sistemi batch e time-sharing in termini di scopo principale (massimizzare l’uso del processore e minimizzare il tempo di risposta rispettivamente) e provenienza delle direttive al sistema operativo (comandi relativi al job-control language nei sistemi batch e da terminale nei time-sharing).

Storia dei Sistemi Operativi

• Cronologia dell’evoluzione dei sistemi operativi, da computer seriali, ai batch, alla multiprogrammazione, ai time-sharing fino ai giorni nostri.

Storia dei Sistemi Operativi: Risultati più Importanti

• Riassunto dei concetti principali che hanno portato a dei miglioramenti nella struttura e nelle funzionalità dei sistemi operativi.

Dal Job al Processo

• Introdizione del processo come concetto più recente, sviluppato per unificare diversi concetti come job non-interattivi e interattivi.
• Presentazione transazionale real-time come un altro tipo di job.

Multiprogrammazione dei Processi: Difficoltà

• Descrizione delle difficoltà legate alla gestione di più processi contemporaneamente.

Gestione della Memoria

• Descrizione dei compiti legati alla gestione della memoria, incluso l’isolamento, la protezione e la gestione automatica di allocazione e deallocazione.
• Presentazione delle tecnologie della memorizzazione a lungo termine, come paginazione e memoria virtuale.

Protezione dell'Informazione e Sicurezza

• Descrizione delle problematiche legate alla sicurezza e protezione dei dati includendo le responsabilità riguardanti la privacy, la disponibilità e l'autenticità dei dati.

Pianificazione e Gestione delle Risorse

• Concetti chiave relativi alla pianificazione e gestione delle risorse, come l'equità, la velocità di risposta e l’efficienza a seconda delle caratteristiche del processo.

Elementi Principali di un Sistemi Operativo

• Rappresentazione grafica dei moduli fondamentali presenti all'interno di un sistema operativo.
• Descrizione e funzione dei componenti.

Struttura del Sistema Operativo

• Il sistema operativo è strutturato a livelli gerarchici con l'obiettivo di suddividere le responsabilità di gestione e funzionalità.
• Descrizione generale dell’approccio a livelli.

Livelli

• Descrizione dei livelli presenti in un sistema operativo in base al livello di astrazione.

Livelli: Multiprogrammazione

• Descrizione dei livelli specifici con riferimento alla multiprogrammazione.

Livelli: Dispositivi Esterni

• Spiegazione dei livelli del sistema operativo che si occupano dei dispositivi esterni, dalle comunicazioni tra i processi alla gestione dei file e le interfacce utente.

Architettura di UNIX

• Schema gerarchico dell’architettura dei sistemi Operativi UNIX

Kernel Tradizionale di UNIX

• Componenti del kernel tradizionale UNIX, che include i suoi sottoinsiemi come la gestione della memoria e dei file.

Kernel Moderno di UNIX

• Componenti del kernel moderno UNIX, con funzioni e sottoinsiemi.

Kernel Moderno di Linux

• Descrizione del kernel monolitico e microkernel di Linux, con riferimento alle sue caratteristiche ed implementazione.

In questo corso...

• Sintesi dei contenuti del corso in relazione ai vari moduli (gestione dei processi, gestione della memoria...).

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