L’hardware da solo non è sufficiente per IL funzionamento dell’elaboratore ma è necessario introdurre IL software



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26.01.2018
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L’hardware da solo non è sufficiente per il funzionamento dell’elaboratore ma è necessario introdurre il software

  • L’hardware da solo non è sufficiente per il funzionamento dell’elaboratore ma è necessario introdurre il software

    • … ovvero un insieme di programmi che permettono di trasformare un insieme di circuiti elettronici in un oggetto in grado di svolgere delle funzioni di natura diversa


Una programmazione diretta della macchina hardware da parte degli utenti è davvero difficile

  • Una programmazione diretta della macchina hardware da parte degli utenti è davvero difficile

    • l’utente dovrebbe conoscere l’organizzazione fisica dell'elaboratore e il suo linguaggio macchina
    • ogni programma dovrebbe essere scritto utilizzando delle sequenze di bit ed ogni piccola differenza hardware comporterebbe una riscrittura del programma stesso




Inoltre, l’utente deve

  • Inoltre, l’utente deve

    • usare nello stesso modo, o comunque in modo molto simile, macchine diverse dal punto di vista hardware
    • avere un semplice linguaggio di interazione con la macchina
    • avere un insieme di programmi applicativi per svolgere compiti diversi


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

  • 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



Questa macchina si dice virtuale in quanto essa non esiste fisicamente ma viene realizzata mediante il software (software di base)

  • Questa macchina si dice virtuale in quanto essa non esiste fisicamente ma viene realizzata mediante il software (software di base)

  • L'utente interagisce con la macchina virtuale grazie ad un opportuno linguaggio di comandi

  • La macchina virtuale si preoccupa della traduzione di ogni comando impartito dall’utente nella sequenza di comandi che realizzanno la stessa funzione e sono riconosciuti dalla macchina fisica sottostante



  • Nei calcolatori con interfaccia grafica molti comandi sono impartiti mediante l’interazione attraverso il mouse. Il clic del mouse su un’icona viene tradotto in una opportuna sequenza di istruzioni che il calcolatore esegue per soddisfare la richiesta dell’utente



Gli strumenti software che permettono all’utente (e ai programmi applicativi) di gestire le risorse fisiche e interagire con l’elaboratore in modo semplice sono parte della macchina virtuale

  • Gli strumenti software che permettono all’utente (e ai programmi applicativi) di gestire le risorse fisiche e interagire con l’elaboratore in modo semplice sono parte della macchina virtuale

  • Si parla di software di base, per denotare un insieme di programmi che, a livello macroscopico, offrono due classi di funzioni

      • funzioni proprie del sistema operativo
      • funzioni di traduzione tra linguaggi diversi




È il componente software fondamentale di un sistema di calcolo

  • È il componente software fondamentale di un sistema di calcolo

  • È formato da un insieme di programmi che interagiscono tra loro per realizzare due obiettivi

    • Gestire efficientemente l’elaboratore e i suoi dispositivi
    • Creare un ambiente virtuale per l’interazione con l’utente


Avvio dell’elaboratore

  • Avvio dell’elaboratore

  • Gestione del processore e dei programmi in esecuzione

  • Gestione della memoria principale

  • Gestione della memoria secondaria

  • Gestione dei dispositivi di input / output

  • Interazione con l’utente





  • Dal punto di vista strutturale il sistema operativo è formato da un insieme di livelli, che formano la cosiddetta

  • struttura a cipolla

  • Idealmente l’utente è ignaro di tutti i dettagli delle operazioni svolte dai livelli inferiori della gerarchia e conosce solo le operazioni del livello più alto



Avvio dell’elaboratore

  • Avvio dell’elaboratore

  • Gestione del processore e dei programmi in esecuzione

  • Gestione della memoria principale

  • Gestione della memoria secondaria

  • Gestione dei dispositivi di input / output

  • Interazione con l’utente



Il sistema operativo viene mandato in esecuzione al momento dell'accensione del calcolatore

  • Il sistema operativo viene mandato in esecuzione al momento dell'accensione del calcolatore

  • Questa fase prende il nome di bootstrap

  • In questa fase una parte del sistema operativo viene caricata nella memoria principale



In genere questa parte del sistema operativo comprende

  • In genere questa parte del sistema operativo comprende

    • i programmi per la gestione del processore
    • i programmi per la gestione della memoria
    • i programmi per la gestione dell'input/output
    • i programmi per la gestione delle risorse hardware
    • i programmi per la gestione del file system
    • un programma che crea l'interfaccia verso l’utente


Una parte del sistema operativo deve essere sempre mantenuta in memoria principale e deve essere sempre pronta per l’esecuzione

  • Una parte del sistema operativo deve essere sempre mantenuta in memoria principale e deve essere sempre pronta per l’esecuzione

  • Questo significa che parte della memoria principale dovrà essere dedicata a mantenere i programmi e i dati riguardanti il sistema operativo



Spesso durante questa fase sono eseguiti anche dei programmi che verificano l'eventuale presenza di virus sul disco dell'elaboratore

  • Spesso durante questa fase sono eseguiti anche dei programmi che verificano l'eventuale presenza di virus sul disco dell'elaboratore

  • I virus sono dei programmi che possono essere trasmessi da un elaboratore ad un altro quando si copiano dei programmi oppure quando si salvano degli allegati dalla casella di posta elettronica

  • Un virus può danneggiare il funzionamento dell'elaboratore, anche in modo piuttosto grave



Avvio dell’elaboratore

  • Avvio dell’elaboratore

  • Gestione del processore e dei programmi in esecuzione

  • Gestione della memoria principale

  • Gestione della memoria secondaria

  • Gestione dei dispositivi di input / output

  • Interazione con l’utente



Mono-utente o multi-utente (mono/multi-user)

  • Mono-utente o multi-utente (mono/multi-user)

      • si distingue tra elaboratori di tipo personale e elaboratori utilizzabili da più utenti contemporaneamente
  • Mono o multi-programmati (mono/multi-tasking)

      • si distingue tra elaboratori in grado di eseguire un solo programma alla volta oppure più programmi “contemporaneamente”
  • Distribuiti (o di rete)



Quando si clicca due volte sull’icona di un programma, il sistema operativo

  • Quando si clicca due volte sull’icona di un programma, il sistema operativo

    • cerca il programma sull’hard disk
    • copia il programma in memoria centrale
    • imposta il registro Program Counter con l’indirizzo in memoria centrale della prima istruzione del programma


Un solo utente può eseguire un solo programma alla volta

  • Un solo utente può eseguire un solo programma alla volta

  • Il programma viene “lanciato”, eseguito e quindi terminato

  • Ma la CPU viene sfruttata al meglio?



…. no, si spreca molto tempo!

  • …. no, si spreca molto tempo!

  • La CPU è molto più veloce dei dischi e delle altre periferiche, e passa la maggior parte del suo tempo in attesa del completamento delle operazioni demandate a questi dispositivi

  • Durante l’attesa si dice che la CPU è in uno stato inattivo, detto idle



Un processo è costituito da 1000 istruzioni e ogni istruzione richiede 1 microsec. per essere eseguita dalla CPU

  • Un processo è costituito da 1000 istruzioni e ogni istruzione richiede 1 microsec. per essere eseguita dalla CPU

    •  tempo totale di esecuzione = 10 * 10 = 1 millisec.
  • A metà esecuzione è richiesta la lettura di un dato dal disco. Il tempo di lettura è pari ad 1 millisec.

    •  tempo totale di esecuzione = 2 millisec.
  • Idle time = 1millisec.

  •  corrisponde a 50% del tempo totale di esecuzione ed è tempo sprecato



Un processo è costituito da 1000 istruzioni e ogni istruzione richiede 1 microsec. per essere eseguita dalla CPU

  • Un processo è costituito da 1000 istruzioni e ogni istruzione richiede 1 microsec. per essere eseguita dalla CPU

  •  tempo totale di esecuzione = 1 millisec.

  • A metà esecuzione è richiesto un dato all’utente. Il tempo di reazione è pari ad 1 sec.

    •  durata totale dell’esecuzione = 1001 millisec.
  • Idle time = 1 sec.

    •  corrisponde al 99,9% del tempo totale di esecuzione ed è tempo sprecato !!!!


Quando la CPU è nello stato di idle la si può sfruttare per eseguire (parte di) un altro processo

  • Quando la CPU è nello stato di idle la si può sfruttare per eseguire (parte di) un altro processo

  • Quando un processo si ferma (per esempio in attesa di un dato dall’utente) la CPU può passare ad eseguire le istruzioni di un altro processo

  • Il sistema operativo si occupa dell’alternanza tra i processi in esecuzione



Più programmi possono essere eseguiti “contemporaneamente

  • Più programmi possono essere eseguiti “contemporaneamente

  • In realtà in esecuzione c’è sempre un solo processo ma, se l’alternanza è molto frequente, si ha un’idea di simultaneità

  • Di solito è posto un limite al numero di processi “contemporaneamente” in esecuzione



Un processo non si ferma mai in attesa di I/O o di una risorsa?

  • Un processo non si ferma mai in attesa di I/O o di una risorsa?

  • Più utenti vogliono usare il computer?

  • … è necessario far sì che la risorsa più importante del computer - la CPU - sia distribuita equamente tra i processi dello stesso utente e di utenti diversi



Ad ogni processo viene assegnato un quanto di tempo (ad esempio 10 millisec.) durante il quale può usare la CPU

  • Ad ogni processo viene assegnato un quanto di tempo (ad esempio 10 millisec.) durante il quale può usare la CPU

  • Terminato il quanto di tempo, il processo viene sospeso e la CPU viene assegnata ad un altro processo pronto per l’esecuzione

  • Un processo può usare meno del quanto che gli spetta se deve eseguire operazioni di I/O oppure ha terminato la sua computazione (ma non ne può usare di più, almeno fino a quando non è nuovamente il suo turno)



L’esecuzione di più processi sembra avvenire realmente in parallelo (questo parallelismo, però, è solo virtuale)

  • L’esecuzione di più processi sembra avvenire realmente in parallelo (questo parallelismo, però, è solo virtuale)

  • Più utenti possono usare allo stesso tempo il computer, perché la CPU viene assegnata periodicamente (per esempio ogni 10 o 100 millisec.) ai processi dei vari utenti

  • All’aumentare del numero di processi e del numero di utenti le prestazioni del sistema degradano



È il sistema operativo che coordina tutte queste operazioni per la gestione dei processi e per la conseguente allocazione della memoria principale … ma non entreremo nei dettagli …

  • È il sistema operativo che coordina tutte queste operazioni per la gestione dei processi e per la conseguente allocazione della memoria principale … ma non entreremo nei dettagli …

  • ... vediamo solo brevemente la finestra dei processi di Windows









Avvio dell’elaboratore

  • Avvio dell’elaboratore

  • Gestione del processore e dei programmi in esecuzione

  • Gestione della memoria principale

  • Gestione della memoria secondaria

  • Gestione dei dispositivi di input / output

  • Interazione con l’utente



Il file system è quella parte del sistema operativo che si occupa di gestire e strutturare le informazioni memorizzate sui supporti di memoria secondaria

  • Il file system è quella parte del sistema operativo che si occupa di gestire e strutturare le informazioni memorizzate sui supporti di memoria secondaria

  • I file vengono utilizzati per la memorizzazione di programmi (sia programmi di sistema che programmi utente) e dati







Soluzione possibile: le pagine che formano un file non vengono memorizzate in modo contiguo ma in modo sparso

  • Soluzione possibile: le pagine che formano un file non vengono memorizzate in modo contiguo ma in modo sparso

    • In analogia con un quaderno “ad anelli”, le pagine possono essere spostate, aggiunte, cancellate senza creare sprechi di spazio e senza limitazioni sulla crescita delle dimensioni di un file (l’unico limite è quello di avere pagine bianche)
    • In analogia con l’utilizzo di un indice, le pagine del quaderno vengono numerate e l’indice conterrà (nell’ordine) i numeri delle pagine del file




Il sistema operativo deve anche fornire una visione astratta dei file su disco e l'utente deve avere la possibilità di

  • Il sistema operativo deve anche fornire una visione astratta dei file su disco e l'utente deve avere la possibilità di

    • identificare ogni file con un nome astraendo dalla sua posizione nella memoria
    • avere un insieme di operazioni per lavorare sui file
    • effettuare l'accesso alle informazioni mediante operazioni ad alto livello, che non tengono conto del tipo di memorizzazione
    • Si deve accedere allo stesso modo ad un file memorizzato sul disco rigido oppure su un CD-ROM


… l'utente deve avere la possibilità di

  • … l'utente deve avere la possibilità di

    • strutturare i file, organizzandoli in sottoinsiemi secondo le loro caratteristiche, per avere una visione “ordinata” e strutturata delle informazioni sul disco
    • in un sistema multi-utente, inoltre, l’utente deve avere dei meccanismi per proteggere i propri file, ossia per impedire ad altri di leggerli, scriverli o cancellarli


Un insieme di operazioni minimale, presente in tutti i sistemi, è il seguente

  • Un insieme di operazioni minimale, presente in tutti i sistemi, è il seguente

    • creazione di un file
    • cancellazione di un file
    • copia di un file
    • visualizzazione del contenuto di un file
    • stampa di un file
    • modifica del contenuto di un file
    • rinomina di un file
    • visualizzazione delle caratteristiche di un file


Il numero di file che devono essere memorizzati su un disco può essere estremamente elevato

  • Il numero di file che devono essere memorizzati su un disco può essere estremamente elevato

  • Si ha quindi la necessità di mantenere i file in una forma ordinata

  • Un unico spazio (contenitore) di file è scomodo perché le operazioni di ricerca e di creazione di un nuovo file diventano onerose

  • Non è possibile avere due file con lo stesso nome



L'idea è quella di raggruppare i file in sottoinsiemi

  • L'idea è quella di raggruppare i file in sottoinsiemi

  • Questi sottoinsiemi di file vengono memorizzati all’interno di contenitori dette cartelle (directory)

  • I nomi dei file sono locali alle directory

  • Si possono avere due file con lo stesso nome purché siano in due directory diverse



Per organizzare gerarchicamente i file, il sistema operativo deve fornire all'utente un insieme di operazioni per

  • Per organizzare gerarchicamente i file, il sistema operativo deve fornire all'utente un insieme di operazioni per

    • creare una nuova directory
    • rimuovere una directory
    • ridenominare una directory
    • elencare il contenuto di una directory
    • copiare o spostare i file da una directory ad un'altra


Gli elaboratori sono dotati di più unità di memoria secondaria

  • Gli elaboratori sono dotati di più unità di memoria secondaria

  • DOS e Windows usano dei nomi per distinguere le unità

  • In UNIX la gestione è trasparente all’utente che conosce solo il nome del file, e non si interessa dell’unità dove esso è memorizzato







Se non esiste la strutturazione in directory, tutti i file possono essere identificati mediante il loro nome (univoco)

  • Se non esiste la strutturazione in directory, tutti i file possono essere identificati mediante il loro nome (univoco)

  • Nel caso di un’organizzazione gerarchica a più livelli il nome non è più sufficiente ad identificare un file

  • Per individuare un file o una directory in modo univoco si deve allora specificare l'intera sequenza di directory che lo contengono, a partire dalla radice dell'albero



Ad esempio il file libro1 di narrativa italiana è univocamente identificato dalla sequenza

  • Ad esempio il file libro1 di narrativa italiana è univocamente identificato dalla sequenza

  • A:\Biblioteca\Narrativa-Ita\libro1

  • La directory Pautasso di Utenti è identificata dalla sequenza

        • A:\Utenti\Pautasso
  • Il carattere “\” (backslash) viene usato come separatore (in UNIX si usa il carattere “/”)

  • Una sequenza di questo tipo può essere vista come il cammino che si deve compiere per raggiungere un determinato file a partire dalla radice dell'albero, ed è chiamata pathname



Un altro modo di individuare un file (o una directory) è basato sul concetto di posizione relativa (pathname relativo)

  • Un altro modo di individuare un file (o una directory) è basato sul concetto di posizione relativa (pathname relativo)

  • In questo caso per individuare un file o una directory in modo univoco si deve specificare l'intera sequenza di directory che lo contengono, a partire dalla posizione corrente





Se la posizione corrente è A:\Biblioteca, il file libro1 di narrativa italiana è univocamente identificato dalla sequenza

  • Se la posizione corrente è A:\Biblioteca, il file libro1 di narrativa italiana è univocamente identificato dalla sequenza

  • Narrativa-Ita\libro1

  • Se la posizione corrente è A:\Utenti, la directory Pautasso è identificata dalla sequenza

  • Pautasso

  • Per raggiungere un determinato file a partire dalla posizione corrente si utilizza quindi il pathname relativo





I compiti eseguiti con l’ausilio del calcolatore sono chiamati applicazioni e i programmi usati per svolgerli sono detti programmi applicativi

  • I compiti eseguiti con l’ausilio del calcolatore sono chiamati applicazioni e i programmi usati per svolgerli sono detti programmi applicativi

  • La redazione di una lettera, la stesura di un bilancio, la creazione di un archivio sono applicazioni; i programmi di videoscrittura, i fogli elettronici e il software di gestione delle basi di dati sono i programmi applicativi con cui vengono svolte

  • Vedremo in laboratorio degli esempi di programmi applicativi

























Anni ‘70: sistemi time-sharing

  • Anni ‘70: sistemi time-sharing

    • Gli utenti, attraverso dei terminali, potevano condividere il computer avendo l'illusione di “essere completamente padroni” della macchina
  • Anni ‘80:

    • Evoluzione tecnonologica
    • Personal computer, workstation, reti di calcolatori





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