Marco Lapegna » 1.Storia ed evoluzione dei sistemi operativi

La risposta in un’ esigenza

Chi ha mai usato un calcolatore senza Sistema Operativo?

È un ambiente software che agisce da intermediario tra l’utente e l’hardware di un computer.

Dal punto di vista dell’utente, un S.O.

• Permette l’esecuzione dei programmi e rende più semplice la soluzione di possibili problemi legati alla gestione della macchina
• Rende il sistema di calcolo semplice da usare

E’ un ambiente per eseguire programmi in modo facile ed efficiente.

Dal punto di vista dell’hardware, un S.O.

• Gestisce le risorse: controlla ed alloca le risorse hardware (in modo equo ed efficiente).
• Controlla l’esecuzione dei programmi utente e le operazioni sui dispositivi di I/O facendo fronte ad eventuali errori.

E’ un insieme di programmi sempre in esecuzione e a diretto contatto con l’hardware (Kernel)

Componenti di calcolo

In figura sono indicati i principali componenti di un sistema di calcolo.

EDSAC (1949)

• Primo calcolatore programmabile
• Valvole , console a spinotti e spie luminose
• La programmazione avveniva mediante interruttori sulla console

Anni 1940-1950

• Interazione diretta uomo – calcolatore
• Assenza di qualunque tipo di software di sistema

Svantaggi:

• Elaborazione molto lenta e inefficiente
• Alta possibilità di errori
• Gestione inefficiente del sistema

Soluzione: schede e nastri perforati

Struttura di un tipico job Fortran

La struttura del job è definita dalle schede di comando.

Sistemi batch (a lotti)

• Un lotto di job sotto forma di schede viene trascritto su di un nastro
• Il nastro viene montato nel sistema centrale (7094) che li elabora uno alla volta. I risultati sono trascritti su di un ulteriore nastro (nel frattempo e’ possibile cominciare a creare un altro nastro di job sul sistema ausiliario 1401)
• Il nastro con i risultati viene montato sul sistema ausiliario 1401 che li stampa (nel frattempo il sistema centrale 7094 elabora altri job su un altro nastro)

Monitor residente

Con i sistemi batch il controllo viene trasferito automaticamente da un job al successivo da un programma residente in memoria chiamato monitor che legge le schede di comando e chiama le opportune routine.

Monitor residente:

• Legge le schede di controllo
• Chiama le relative routine di servizio
• Usa il programma utente e i dati come input di tali routine

Sistemi batch: caratteristiche

• Presuppongono un operatore ≠ utente
• Assenza di interazione fra utente e job a run–time.
• Presuppongono come periferica di ingresso un lettore di schede o nastri.
• Riducono il tempo di setup riunendo in lotti (batch) job simili.
• Aumento del throughput.
• Viene eseguito un solo job alla volta fino al suo completamento.

Spooling

• I job e i dati vengono caricati automaticamente dal lettore di schede al disco
• Mentre viene eseguito un job, il SO…
  • Legge il prossimo job dal lettore di schede su un’area del disco (job queue).
  • Stampa l’output di job eseguiti precedentemente, copiandoli dal disco su un nastro.

Sovrapposizione di I/O e elaborazione

Sistemi multiprogrammati

Più job vengono mantenuti nella memoria principale contemporaneamente in particolari strutture (job pool) e l’uso della CPU viene diviso fra loro (Scheduling della CPU)

S.O. per calcolatori con multiprogrammazione

La multiprogrammazione impone al SO…

• Presenza di routine per I/O.
• Gestione della memoria.
• Scheduling della CPU.
• Gestione dei dischi e delle unità di I/O.

Soluzione

Dividere il programma in pezzi (pagine) e conservare:

• in memoria centrale solo la pagine con la sezione di codice da eseguire
• in memoria di massa il resto delle pagine

S.O. per calcolatori con time-sharing

Il time–sharing impone al SO…

• La gestione e la protezione della memoria.
• La gestione della memoria virtuale.
• La gestione di un file system on–line e della memoria secondaria di supporto.
• La presenza di meccanismi per l’esecuzione concorrente, la comunicazione e la sincronizzazione dei job.
• La presenza di meccanismi per evitare i deadlock.
• La presenza di differenti unità di I/O.

Storia di Unix

John McCarthy e Herb Teager (Stanford, 1961) pongono le basi per il primo S.O. time sharing: il CTSS (Compatible Time Sharing System) Sistema prototipale, piccolo e con poche funzionalità.

Fernando José Corbató (MIT, 1965), tra i progettisti di CTSS dirige il progetto MAC per il S.O. MULTICS (MULTIplexed Information and Computing Service) Evoluzione del CTSS, ma grande, complesso e poco efficiente.

Kenneth Thompson (Bell labs, 1969), dopo il ritiro della Bell Labs dal progetto MULTICS, sviluppa UNIX semplificando il progetto MULTICS. S.O. con time sharing e memoria virtuale. Disponibile per calcolatori medio/grandi.

Storia di Unix

Dennis Ritchie (Bell Labs, 1972), sviluppa il linguaggio C e riscrive UNIX nel nuovo linguaggio. Primo S.O. portabile su differenti piattaforme.

Bill Joy (Berkley, 1978), a partire dal codice che i Bell Lab furono tenuti a distribuire a causa di leggi antitrust, guida un gruppo di ricercatori nello sviluppo di BSD Unix con funzionalita’ di rete TCP/IP. Una delle piu’ diffuse distribuzioni negli anni 80.

Paul Allen e Bill Gates (1980), alla Microsoft sviluppano XENIX, prima versione commerciale per microcomputer. Seguiranno le prime versioni commerciali per processori Intel: Venix, QNX, Idris… Poco diffuse per la scarsa potenza dei processori per PC.

Storia di Unix

Richard Stallman (Stanford, 1985), lancia il progetto GNU per la distribuzione libera e gratuita del software di Unix. Sviluppa solo alcuni tool (compilatori, debugger, ..)

Andrew Tanenbaum (Amsterdam, 1986), professore alla Vrije University sviluppa Minix, piccolo S.O. Unix per processori Intel (ora sufficientemente potenti). Sviluppato per usi didattici – gratuito.

Linus Torvalds (Finlandia, 1992) sviluppa Linux a partire da Minix e dai tools realizzati nel progetto GNU. Free e open source. Motivo: costi troppo alti per le licenze. Versione per processori Intel poi adottata da tutte le grandi industrie.

I personal computer

• Avvento dei microprocessori negli anni ‘70
• Miglioramento dei processi tecnologici

Obiettivo:
Costruire calcolatori economici e facili da usare (personal computer)

• Introduzione di numerosi mezzi di I/O (tastiera, mouse, monitor, piccole stampanti).
• Possono adottare tecnologi gia’ sviluppate per i sistemi operativi per mainframe;
• Un solo utente utilizza il PC e quindi non sono necessarie tecniche sofisticate per l’utilizzo della CPU, né sono richieste funzioni avanzate di protezione.

S.O. per personal computer

• MS-DOS (MicroSoft Disk Operating System -1980)
• Windows (1985), Windows 95, Windows 98, Windows Me
• Windows NT, Windows 2000, Windows XP

• MacOS

• Minix (1987)
• Linux (1994)

Storia di Windows

1980 – Microsoft, dietro commessa della IBM produce un S.O. per personal computer chiamato PC-DOS 1.0. Per i PC IBM compatibili viene prodotta una versione simile chiamata MS-DOS

1982 – DOS V.1.2 con driver per floppy disk

1983 – DOS V.2.0 con driver per hard disk e gestione del file system

1984 – DOS V.3.0 con supporto di rete

1985 – Windows 1.0 prima interfaccia grafica

1987 – Windows 2.0 con funzionalita’ di multitasking

1988 – DOS V.4.0 con shell e gestione della memoria estesa

1991 – DOS V.5.0 gestione più efficiente della memoria

Storia di Windows

1992 – Windows 3.1. oltre 3 milioni di copie in due mesi

1993-94 – Windows NT 3 e NT4. S.O. object oriented per server di alto livello. Stessa interfaccia grafica di Windows 3.1 ma kernel completamente riscritto

1995 – Windows 95: S.O. per applicazioni a 32 bit. Non più una interfaccia grafica come Windows 3.1 ma un completo S.O.

1996-1998 – Windows CE 3.0. S.O. per computer palmari

1998 – Windows 98. browser integrato, supporti Java e HTML e vari supporti hardware (USB, firewire, DVD… )

2000 – Windows 2000 con supporto molto efficiente per le connessioni di rete

2001 – Windows XP

Calcolatori paralleli (Tightly coupled system)

Un sistema di unità processanti omogenee, strettamente collegate che comunicano per risolvere problemi su larga scala in maniera efficiente.

Principale obiettivo:
Ridurre i tempi di elaborazione

• Calcolatori a memoria condivisa
• Calcolatori a memoria distribuita

Calcolatori paralleli a memoria condivisa

Le CPU condividono la memoria e il clock

Principali svantaggi:

• sincronizzazione degli accessi alla memoria
• scarsa scalabilità

Calcolatori paralleli a memoria distribuita

Ogni CPU ha una propria memoria e comunica mediante una rete

Principali svantaggi:

• reti lente
• comunicazione tra le CPU

Le reti geografiche

• 1968 primi progetti di una rete di computer dell’ARPA per connettere 12 università e centri di ricerca. Bandwidth = 56 kbits

Rete GARR che connette univ. e centri di ricerca italiani

• 1994 2Mbit/sec
• 1998 32Mbit/sec
• 2002 2.5Gbit/sec
• 2006 10Gbit/sec

Crescita di 1000 volte in 8 anni (x2 in 9 mesi)

Utilizzare i calcolatori connessi ad una rete come una unica risorsa di calcolo (calcolo distribuito).

S.O. per calcolatori paralleli/distribuiti

I calcolatori paralleli/distribuiti impongono al SO…

• fault tolerance
• sincronizzazione
• gestione eterogeneità
• infrastruttura di rete
• protocolli di comunicazione
• bilanciamento del carico
• sicurezza
• accesso a risorse remote

Sistemi operativi tempo–reale

Spesso utilizzati per applicazioni dedicate:

• Telecomunicazioni
• Difesa militare
• Controllo traffico aereo/ferroviario
• Controllo di sistemi industriali

Sistemi embedded (o integrati)

• sono i computer delle automobili, delle lavatrici, delle centraline di allarme, dei bancomat …
• sistemi molto semplici che svolgono mansioni molto specifiche
• danno priorità alla gestione dei dispositivi fisici

Sistemi operativi per sistemi embedded

Caratteristiche:

• Funzioni limitate
• Consumo contenuto
• Piccole dimensioni
• Scarsa o nulla interfaccia
• Applicazioni specifiche (agende, calendari, rubriche, pagamenti)