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Marco Lapegna » 1.Storia ed evoluzione dei sistemi operativi


Sistemi operativi

Storia ed evoluzione dei sistemi operativi

  • Cos’è un sistema operativo
  • Evoluzione dei sistemi operativi
  • Scopi dei sistemi operativi

Obiettivo del corso

Il corso intende fornire una introduzione alla struttura e alle funzioni dei moderni sistemi operativi, esaminando:

  • Le componenti fondamentali
  • Le metodologie di progettazione
  • Gli algoritmi
  • Gli strumenti di base

Ma cos’è un Sistema Operativo?

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.

Sistema operativo

Sistema operativo


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.

Sistema operativo (utente)

Sistema operativo (utente)


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)

Sistema operativo (hardware)

Sistema operativo (hardware)


Componenti di un sistema di calcolo

  • Hardware — fornisce le risorse fondamentali di calcolo (CPU, memoria, device di I/O).
  • Sistema Operativo — controlla e coordina l’utilizzo delle risorse hardware da parte dei programmi applicativi dell’utente.
  • Programmi Applicativi — definiscono le modalità di utilizzo delle risorse del sistema, per risolvere i problemi di calcolo degli utenti (compilatori, database, video game, programmi gestionali).
  • Interfaccia — permette agli utenti di accedere alle risorse del sistema attraverso un linguaggio di comando o desktop grafici
  • Utenti — persone, altri macchinari, altri elaboratori.

Componenti di calcolo

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

Componenti di un sistema di calcolo

Componenti di un sistema di calcolo


Quali sono le funzioni di un S.O.?

La struttura dei moderni sistemi operativi è il frutto di aggiunte di programmi introdotti nel tempo per far fronte a specifiche esigenze.

Uno sguardo alla storia del calcolo …

EDSAC (1949)

  • Primo calcolatore programmabile
  • Valvole , console a spinotti e spie luminose
  • La programmazione avveniva mediante interruttori sulla console
EDSAC, J. Von Neumann

EDSAC, J. Von Neumann


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

Interazione uomo – calcolatore

Interazione uomo - calcolatore


Un centro di calcolo negli anni ‘50

Centro di calcolo

Centro di calcolo


Struttura di un tipico job Fortran

La struttura del job è definita dalle schede di comando.

Struttura di un tipico job Fortran

Struttura di un tipico job Fortran


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)
Sistemi batch (a lotti)

Sistemi batch (a lotti)


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
Monitor residente

Monitor residente


Primi sistemi operativi per sistemi batch

GM OS (1955) – Per alcuni è il primo sistema operativo in assoluto per sistemi batch. Sviluppato dalla General Motors per l’IBM701, basato su monitor residente.

SAGE (1957 ?) – Semi-Automatic Ground Environment system. Programma di controllo per sistemi IBM. Primo sistema operativo real time sviluppato in ambito militare.

Fortran Monitor System (1958) – Sistema operativo sviluppato dall’aviazione americana per calcolatori IBM. Primo con supporto per un linguaggio ad alto livello.

SOS (1959) – Sistema operativo sviluppato dall’IBM SHARE Users Group per l’IBM 709.

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.
Sistemi batch

Sistemi batch


Sistemi batch: problemi

  • Le operazioni di elaborazione e di I/O non possono essere svolte contemporaneamente.
  • E’ possibile tenere in memoria un solo job alla volta.
  • Lentezza dei lettori di schede e nastri rispetto alla CPU (anche 3 ordini di grandezza).

Uso inefficiente della CPU

Soluzione: uso di memorie di massa veloci ad accesso diretto (dischi)

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

Spooling

Spooling


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)

Sistemi multiprogrammati

Sistemi multiprogrammati


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.
S.O. per calcolatori con multiprogrammazione

S.O. per calcolatori con multiprogrammazione


Un centro di calcolo negli anni ‘60

Centro di calcolo negli anni ‘60

Centro di calcolo negli anni '60


Sistemi multiprogrammati: problemi

Se nel job pool è presente un job molto lungo, eventuali job più piccoli devono attendere la fine di tale job anche se devono usare la CPU per poco tempo

Tempo medio di elaborazione elevato

Soluzione: sospendere l’esecuzione di job che superano un fissato tempo limite (time slice)

Sistemi time–sharing

Un job viene sospeso quando:

  • deve effettuare una operazione di I/O
  • ha esaurito il suo tempo limite

La CPU viene commutata tra più job che vengono mantenuti contemporaneamente in memoria e sul disco.
I job sono sottoposti a swap–in dal disco alla memoria ed a swap–out dalla memoria al disco.

Riduzione del tempo medio di attesa

Sistemi interattivi

Con la multiprogrammazione e il time sharing si riducono i tempi medi di attesa e ogni utente ha la sensazione di essere l’unico utente del sistema.

Sistemi interattivi:

  • permettono la comunicazione on–line tra utente e sistema; quando il SO termina l’esecuzione di un comando, si aspetta il successivo comando da tastiera;
  • devono essere sempre disponibili per l’accesso a dati e codice da parte degli utenti (File system on–line).

Problemi

Il time sharing permette l’accesso alla cpu a molti programmi residenti in memoria.

La memoria ha una capacità limitata.

Come fare a tenere numerosi programmi (anche grandi) contemporaneamente in memoria?

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
Memoria virtuale

Memoria virtuale


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.
Schema di calcolatore con time sharing

Schema di calcolatore con time sharing


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.

John McCarthy e Herb Teager
Fernando José Corbató
Kenneth Thompson

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.

Dennis Ritchie
Bill Joy
Paul Allen e Bill Gates

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.

Richard Stallman
Andrew Tanenbaum
Linus Torvalds

L’albero genealogico di Unix (parziale)

Albero genealogico di Unix

Albero genealogico di Unix


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.
Federico Faggin (1971)

Federico Faggin (1971)


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

Bill Gates

Bill Gates


Storia di Windows

1992Windows 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

Bill Gates

Bill Gates


L’Unione fa la forza

L’Unione fa la forza

L'Unione fa la forza


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 a memoria condivisa / distribuita

Calcolatori a memoria condivisa / distribuita


Calcolatori paralleli a memoria condivisa

Le CPU condividono la memoria e il clock

Principali svantaggi:

  • sincronizzazione degli accessi alla memoria
  • scarsa scalabilità
Schema esplicativo (CPU)

Schema esplicativo (CPU)

Seymour Cray e il Cray X-MP (1984)

Seymour Cray e il Cray X-MP (1984)


Calcolatori paralleli a memoria distribuita

Ogni CPU ha una propria memoria e comunica mediante una rete

Principali svantaggi:

  • reti lente
  • comunicazione tra le CPU
Schema esplicativo (CPU – MEM)
Cosmic Cube con 64 schede Intel 8086 + memoria (1983)
Geoffrey Fox

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).

Reti geografiche

Reti geografiche


Sistemi distribuiti (Loosely coupled system )

Un sistema di unità processanti non omogenee, autonome, indipendenti, geograficamente distribuite che sono aggregate per risolvere problemi su larga scala in maniera efficiente.

Principale obiettivo: Aggregare risorse

S.O. per calcolatori paralleli/distribuiti

  • Sistemi operativi distribuiti:
    • Minor autonomia fra computer
    • Unico sistema operativo che controlla e gestisce in maniera trasparente l’intera rete di computer
  • Sistemi operativi di rete:
    • Consentono la condivisione di file
    • Garantiscono uno schema di comunicazione
    • Vengono eseguiti indipendentemente per ciascun computer in rete

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
Schema di calcolatori paralleli / distribuiti

Schema di calcolatori paralleli / distribuiti


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
Sistema embedded in un’ automobile

Sistema embedded in un' automobile


Sistemi operativi per sistemi embedded

Caratteristiche:

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

Sistemi embedded per la telefonia


Migrazione temporale di concetti e caratteristiche dei SO

Migrazione temporale di concetti e caratteristiche dei SO

Migrazione temporale di concetti e caratteristiche dei SO


Prossima lezione

Struttura e funzioni dei sistemi operativi

  • Componenti di un sistema operativo
  • Servizi dei sistemi operativi
  • Modelli di architetture dei sistemi operativi
  • Processo di compilazione e linking dei programmi
  • Contenuti protetti da Creative Commons
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Progetto "Campus Virtuale" dell'Università degli Studi di Napoli Federico II, realizzato con il cofinanziamento dell'Unione europea. Asse V - Società dell'informazione - Obiettivo Operativo 5.1 e-Government ed e-Inclusion