Generalità sui sistemi operativi
Un computer moderno è un sistema complesso costituito da processori, memoria centrale, dischi e dispositivi di input/output. Per gestire questa complessità, i computer dispongono di uno strato software fondamentale: il sistema operativo.
I computer operano principalmente in due modalità:
- Modalità kernel (o supervisor): Permette l’accesso completo a tutto l’hardware e l’esecuzione di qualsiasi istruzione la macchina sia in grado di svolgere. È qui che viene eseguito il sistema operativo.
- Modalità utente: È la modalità in cui “gira” il resto del software e dei programmi applicativi, con privilegi limitati.
A differenza delle normali applicazioni, i sistemi operativi sono software molto grandi, complessi e longevi (sistemi come Linux o Windows raggiungono dimensioni nell’ordine dei cinque milioni di righe di codice).
Che cos’è un sistema operativo
Il sistema operativo è il software che opera in modalità kernel e svolge due funzioni principali e distinte:
Il sistema operativo come macchina estesa
L’architettura hardware nativa di un computer è primitiva e complessa da programmare. Il sistema operativo ha il compito di nascondere questa complessità, offrendo ai programmatori un insieme di astrazioni chiare, eleganti e coerenti.
- Driver: Software che fornisce un’interfaccia semplificata per la gestione dell’hardware (ad esempio, per leggere o scrivere su un disco), sollevando il programmatore dall’occuparsi dei dettagli tecnici di basso livello.
Il sistema operativo come gestore delle risorse
Il sistema operativo fornisce un’allocazione ordinata e controllata delle risorse hardware tra i vari programmi. Questa gestione include la condivisione delle risorse, definita multiplexing, che avviene in due modalità:
- Multiplexing nel tempo: Più programmi o utenti utilizzano la stessa risorsa alternandosi (facendo a turno).
- Multiplexing nello spazio: I clienti non si alternano, ma ognuno ottiene una porzione specifica della risorsa.
Storia dei sistemi operativi
- Prima generazione (1945-1955): Valvole termoioniche. Assenza totale di sistemi operativi; la programmazione avveniva in linguaggio macchina tramite cavi e interruttori.
- Seconda generazione (1955-1965): Transistor e sistemi batch (a lotti). Introduzione dei primi software di base per automatizzare il passaggio da un lavoro (job) all’altro senza l’intervento umano continuo.
- Terza generazione (1965-1980): Circuiti integrati (IC) e multiprogrammazione. Nascono il partizionamento della memoria e il timesharing (condivisione del tempo) per permettere a più utenti di interagire contemporaneamente con la macchina.
- Quarta generazione (1980-oggi): Personal Computer. Grazie ai circuiti integrati su larga scala (LSI), i computer diventano personali. Nascono sistemi operativi come MS-DOS, UNIX e, successivamente, le interfacce grafiche (GUI) con Windows e macOS.
- Quinta generazione (1990-oggi): Dispositivi mobili e cloud computing. Sistemi operativi fortemente interconnessi per smartphone, tablet e infrastrutture di rete.
Analisi dell’hardware
Un sistema operativo è intimamente legato all’hardware del computer su cui gira: ne estende l’insieme di istruzioni e ne gestisce le risorse.
Processori
La CPU (Central Processing Unit) è il “cervello” del computer. Il suo ciclo di base consiste nel prelevare un’istruzione dalla memoria (fetch), decodificarla per comprenderne tipo e operandi, eseguirla e passare alla successiva, fino al termine del programma.
Per migliorare le prestazioni, le moderne CPU adottano architetture avanzate:
- Pipeline: Organizzazione che permette di eseguire più istruzioni contemporaneamente (es. mentre si esegue l’istruzione n, si decodifica la n+1 e si preleva la n+2).
- Multithreading (o hyperthreading): Permette alla CPU di mantenere lo stato di due thread diversi, i quali appaiono al sistema operativo come due CPU separate.
- Multicore: Chip CPU che contengono al loro interno più processori completi (core), richiedendo l’uso di un sistema operativo multiprocessore.
- GPU (Graphics Processing Unit): Processori dotati di migliaia di core microscopici, eccezionali per l’esecuzione parallela di piccoli calcoli (come il rendering poligonale).
I Registri della CPU
Poiché l’accesso alla memoria è lento, la CPU utilizza memorie interne ad altissima velocità chiamate registri:
- Program counter: Contiene l’indirizzo di memoria della successiva istruzione da eseguire.
- Stack pointer: Puntatore allo stack.
- PSW (Program Status Word): Registro che contiene i bit di condizione, la priorità della CPU e il bit che controlla la modalità operativa (utente o kernel).
Nota Operativa: Quando il sistema operativo ferma un programma per farne partire un altro (multiplexing temporale), deve salvare lo stato di tutti i registri per poterli ricaricare al riavvio del programma sospeso questo fenomeno si chiama context switching. Chiamate di Sistema e Interruzioni
- System Call (Chiamata di sistema): Richiesta effettuata da un programma utente per ottenere servizi dal sistema operativo.
- TRAP: Istruzione che cambia la modalità operativa da utente a kernel e avvia il sistema operativo. Le trap possono anche essere generate dall’hardware per segnalare situazioni eccezionali (es. divisione per zero).
Memoria
Poiché non esiste una memoria ideale (veloce, capiente e a basso costo contemporaneamente), il sistema è strutturato in strati gerarchici:
- Registri della CPU: Strato alla sommità, velocissimi e a capacità ridotta.
- Memoria Cache: Gestita dall’hardware. Si divide in Cache L1 (interna alla CPU, fornisce istruzioni codificate) e Cache L2. Conserva le linee di memoria usate più di frequente.
- Memoria Principale (RAM): La memoria di lavoro vera e propria ad accesso casuale. Gestisce tutte le richieste della CPU non soddisfatte dalla cache.
- Memoria non volatile: Include la ROM (Read Only Memory, programmata dal costruttore e non modificabile), la EEPROM (cancellabile elettricamente) e le memorie flash.
Dischi
L’Hard Disk (disco magnetico) si trova sotto la RAM nella gerarchia. È lento perché è un’unità meccanica formata da piatti metallici rotanti e un braccio meccanico.
- Traccia: Regione anulare letta da una testina a una data posizione del braccio.
- Cilindro: L’insieme di tutte le tracce relative a una specifica posizione del braccio.
Dispositivi di I/O
I dispositivi di Input/Output sono composti dal dispositivo fisico e da un controller (il chip che lo governa fisicamente). Il sistema operativo vede solo l’interfaccia del controller.
- Device Driver: Software specifico necessario per controllare un determinato dispositivo di I/O. Gira in modalità kernel e può essere installato in tre modi:
- Ricollegando il kernel al driver e riavviando.
- Creando una voce in un file di sistema e riavviando.
- Installazione “a caldo” mentre il sistema è in esecuzione (senza riavvio).
Gestione dell’Input/Output: Avviene tramite tre metodi principali:
- Busy waiting: Il driver avvia l’I/O e interroga continuamente il dispositivo per controllare se ha terminato. Svantaggio: Impegna inutilmente la CPU.
- Interrupt: Il driver avvia il dispositivo e si sospende. Al termine, il controller genera un interrupt (interruzione) per segnalare il completamento (il testo fa riferimento al vettore degli interrupt). La CPU può disabilitare temporaneamente gli interrupt per non essere interrotta in momenti inopportuni.
- DMA (Direct Memory Access): Utilizza un hardware speciale che controlla il flusso di dati tra memoria e controller senza l’intervento costante della CPU. Al termine, il chip DMA genera un interrupt.
Panoramica dei vari sistemi operativi
- Sistemi operativi per mainframe: Orientati all’esecuzione simultanea di numerosi lavori con massicce richieste di I/O. Offrono elaborazione di transazioni, timesharing e servizi batch, ossia l’esecuzione completamente automatica e sequenziale di grandi volumi di operazioni raggruppate in lotti (es. fatturazione o calcolo stipendi), senza necessità di interazione da parte dell’utente.
- Sistemi operativi per server: Servono molteplici utenti in rete, permettendo la condivisione di risorse hardware e software.
- Sistemi operativi multiprocessore: Varianti dei sistemi server ottimizzate per comunicazione e coerenza. Utilizzati sempre più spesso anche sui PC desktop dotati di chip multicore.
- Sistemi operativi per personal computer: Progettati per supportare in modo ottimale un singolo utente.
- Sistemi operativi per computer palmari (PDA): Sistemi sofisticati per dispositivi mobili, in grado di gestire CPU multicore, GPS, fotocamere e grandi memorie.
- Sistemi operativi integrati (embedded): Installati su dispositivi non considerati veri computer (es. forni a microonde). Il software è su ROM, non accetta app esterne, rendendo inutile la protezione tra applicazioni.
- Sistemi operativi real-time: Sistemi in cui il tempo è il parametro critico.
- Hard real-time: Forniscono garanzie assolute che un’azione avvenga in un momento preciso.
- Soft real-time: Tollerano il mancato rispetto occasionale di una scadenza.
Chiamate di sistema (System Call)
Le system call rappresentano l’interfaccia standard tra i programmi utente e il sistema operativo. Quando un programma ha bisogno di un servizio privilegiato (come leggere un file, allocare memoria o creare un processo), esegue una system call tramite un’istruzione TRAP, passando dalla modalità utente alla modalità kernel.
Esempi di standard per le system call sono POSIX (usato da Unix e Linux) e Win32 API (usato da Windows).
Struttura di un sistema operativo
Di seguito le strutture dei vari tipi di sistema operativo:
Sistemi monolitici
È l’organizzazione più comune. L’intero sistema operativo è un singolo programma eseguito in modalità kernel, formato da una raccolta di procedure collegate (linkate) tra loro. Poiché le procedure si richiamano liberamente senza restrizioni, il sistema risulta spesso pesante e difficile da capire.
Sistemi a livelli
Il sistema è organizzato gerarchicamente. Un esempio classico prevede sei livelli:
- Livello 0: Allocazione del processore (multiprogrammazione base).
- Livello 1: Gestione della memoria.
- Livello 2: Comunicazione tra processi e console operatore.
- Livello 3: Gestione dei dispositivi di I/O.
- Livello 4: Programmi utente.
- Livello 5: Operatore di sistema.
Microkernel
Nasce per garantire un’altissima stabilità. Il sistema è diviso in piccoli moduli ben definiti, ma solo il microkernel viene eseguito in modalità kernel. Driver, file system e server girano tutti in modalità utente. I programmi ottengono i servizi inviando brevi messaggi ai processi server.
Modello client-server
È una variazione del microkernel che distingue due classi di processi: i server (che forniscono i servizi) e i client (che li utilizzano). La comunicazione avviene tramite passaggio di messaggi (ottimizzabile se client e server risiedono sulla stessa macchina).
Macchine virtuali
Si basano su un monitor di macchina virtuale (oggi chiamato hypervisor di tipo 1) che gira direttamente sull’hardware e fornisce ai livelli superiori numerose macchine virtuali. Ogni macchina virtuale è identica all’hardware reale e può eseguire un proprio sistema operativo (guest).
Hypervisor di tipo 2: Strategia ibrida utilizzata comunemente sui PC (es. VMware Workstation). Non gira direttamente sull’hardware, ma ha bisogno di un sistema operativo host preesistente per installare e avviare il sistema operativo guest su un disco virtuale.