Sistema operativo
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In informatica, un sistema operativo (abbreviato in SO, o all'inglese OS, operating system) è il programma responsabile del diretto controllo e gestione dell'hardware che costituisce un computer e delle operazioni di base. Si occupa anche di gestire gli accessi degli utenti e dei processi che vengono eseguiti.
Indice
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[modifica] Composizione
Il sistema operativo si compone di un sistema vero e proprio detto kernel e da una serie di programmi di sistema.
[modifica] Tipi di sistema operativo
Un generico sistema operativo moderno si compone di alcune parti ben definite: un gestore di file system che si occupa di esaudire le richieste di accesso alle memorie di massa, un gestore di memoria virtuale che alloca pagine di memoria a richiesta e si assicura che questa sia presente nella memoria fisica al momento giusto, uno scheduler che assicura ai vari processi in esecuzione una ben definita quantità di tempo di elaborazione, uno spooler che accumula i dati da stampare e li stampa in successione, una interfaccia utente (shell o GUI) che permette agli esseri umani di interagire con la macchina ed un kernel, fulcro del sistema, che gestisce il tutto. A seconda dei casi, un particolare sistema operativo può avere tutti questi componenti o solo alcuni. Vediamo ora una serie di sistemi operativi possibili, dal più semplice al più complesso.
[modifica] Monitor
Praticamente il solo kernel, con una minima interfaccia interattiva per impartire i comandi. Permette di scrivere in memoria il programma da eseguire e di lanciarlo, non ha nessuna altra caratteristica. È semplicissimo (per un computer), spesso i suoi comandi sono semplici chiamate dirette a subroutine in linguaggio macchina, è stato anche il primo tipo di sistema operativo mai implementato su un computer. Controlla i processi base del sistema
[modifica] Interprete
Il secondo passo verso una migliore gestione del computer si ha con lo sviluppo di una interfaccia utente separata dal kernel, un interprete di comandi che funga anche da interfaccia utente, da shell. Questa shell primitiva di solito funge anche da interprete per un linguaggio di programmazione: a seconda delle scelte dei progettisti del software può essere un vero linguaggio oppure un più semplice linguaggio di scripting con cui creare comandi batch.
[modifica] DOS (Disk Operating Systems)
Un computer diventa molto più utile se dotato di una memoria di massa: per gestirla serve un gestore di file system, cioè un insieme di funzioni che permetta di organizzare i dati sulla superficie dei mezzi di memorizzazione secondo una struttura ben precisa. I sistemi operativi che risiedono su disco (inizialmente floppy poi hard disk e altre piu' evolute unita' di massa) capaci di gestire un file system sono detti genericamente Disk Operating Systems, cioè DOS appunto. L'esemplare più famoso è senz'altro il MS-DOS della Microsoft. Esiste anche una versione libera del dos, denominata: FreeDOS.
[modifica] Sistema multitask
Alcuni programmi non hanno sempre realmente bisogno della CPU: a volte, invece di eseguire istruzioni stanno aspettando che arrivino dei dati da un file, o che l'utente prema un tasto alla tastiera. Quindi si può, in linea di principio, usare questi tempi "morti" per far girare un altro programma. Questa idea, sorta fin dai primi anni 50, si concretizzò nei sistemi operativi multitasking, cioè dotati di uno scheduler che manda in esecuzione più processi (esecuzioni di programmi) contemporaneamente, assegnando a turno la CPU ad ognuno e sospendendo l'esecuzione dei programmi in attesa di un evento esterno (lettura sulla/dalla memoria di massa, stampa, input utente ecc.) finché questo non si verifica.
Dovendo ospitare in memoria centrale più programmi nello stesso tempo, i sistemi multitask hanno bisogno di più memoria rispetto a quelli monotask: perciò questo tipo di sistemi operativi è quasi sempre dotato di un gestore di memoria virtuale.
[modifica] Sistema multiutente
Se un computer può far girare più programmi contemporaneamente, allora può anche accettare comandi da più utenti contemporaneamente: in effetti dal multitasking alla multiutenza il passo è molto breve tecnicamente, ma fa sorgere una serie di nuovi problemi dal punto di vista della sicurezza del sistema: come distinguere i vari utenti tra loro, come accertarsi che nessun utente possa causare danni agli altri o alla macchina che sta usando ecc. Al giorno d'oggi, i diversi sistemi operativi, come ad esempio il nuovo Windows CE 6 [1], sono progettati in modo che questo tipo di operazioni avvengano nel più breve tempo possibile, valorizzando, ad esempio, software come i middleware, i driver, le interfaccia utente, e molti altri.
Questi problemi si risolvono assegnando un account univoco per ogni utente, assegnando un proprietario ai file ed ai programmi e gestendo un sistema di permessi per l'accesso ad essi, e prevedendo una gerarchia di utenti (cioè di account) per cui il sistema rifiuterà tutti i comandi potenzialmente "pericolosi" e li accetterà soltanto se impartiti da un utente in cima alla gerarchia, che è l'amministratore del sistema (generalmente l'account root nei sistemi Unix, Administrator nei sistemi Windows).
[modifica] Sistema operativo real-time
Un sistema operativo real-time è un sistema operativo utilizzato tipicamente in un ambito industriale o comunque dove sia necessario ottenere una risposta dal sistema in un tempo massimo prefissato. I sistemi operativi realtime si possono dividere in due categorie : hard e soft, a seconda dei tempi di risposta.
[modifica] Parti del sistema operativo
[modifica] Kernel
Il kernel è il cuore di un sistema operativo. Si tratta di un software che ha il compito di fornire ai moduli che compongono il sistema operativo e ai programmi in esecuzione sul computer le funzioni fondamentali ed un accesso controllato all'hardware, sollevandoli dai dettagli della sua gestione.
Quali funzioni sia opportuno che il kernel debba fornire e quali possano essere demandate a moduli esterni è oggetto di opinioni divergenti: se il kernel di un sistema operativo implementa soltanto un numero molto ristretto di funzioni, delegando il resto ad altre parti, si parla di microkernel. Il vantaggio di un sistema operativo microkernel è la semplicità del suo kernel; lo svantaggio è l'interazione più complessa fra il kernel e le altre componenti del S.O. stesso, che rallenta il sistema. Di solito il kernel di un sistema operativo microkernel è molto piccolo e fornisce solo poche funzioni di base per l' astrazione dall'hardware e la comunicazione fra i vari moduli, che sono esterni ad esso.
Un kernel tradizionale, monolitico, integra invece dentro di sé la gestione della memoria virtuale, lo scheduler e i gestori di file system, nonché i driver necessari per il controllo di tutte le periferiche collegate. Questo tipo di kernel è più complesso da progettare, mantenere ed aggiornare, ma è anche più veloce ed efficiente. Una sua evoluzione è costituita dai kernel "modulari", che mantengono al loro interno lo scheduler e i gestori di file system e memoria virtuale ma separano alcune funzioni non essenziali in moduli a sé stanti, da caricare in memoria solo in caso di effettivo uso della funzione o periferica di loro competenza.
Sulla distinzione fra microkernel e kernel monolitico di notevole interesse è il famigerato dibattito fra Torvalds e Tanembaum "LINUX is obsolete" che potete trovare su comp.os.minix al seguente collegamento
[modifica] File system
Il file system è il modo in cui i file sono immagazzinati e organizzati su un dispositivo di archiviazione, come un hard disk o un CD-ROM. Esistono molti tipi di file system, creati per diversi sistemi operativi, per diverse unità di memorizzazione e per diversi usi. Si possono identificare due grandi classi di file system: quelli per unità locali, destinate ad organizzare fisicamente i dati su un disco, e i file system distribuiti, nati per condividere i dati fra più computer collegati attraverso una rete, superando le differenze fra sistemi operativi e filesystem locali delle varie macchine.
[modifica] Filesystem per unità locali
[modifica] Filesystem distribuiti
[modifica] Scheduler
Lo scheduler è il componente fondamentale dei sistemi operativi multitasking, cioè quelli in grado di eseguire più processi (task) contemporaneamente. Lo scheduler si occupa di fare avanzare un processo interrompendone temporaneamente un altro, realizzando così un cambiamento di contesto (context switch). Generalmente computer con un processore sono in grado di eseguire un programma per volta, quindi per poter far convivere più task è necessario usare lo scheduler. Esistono vari algoritmi di scheduling che permettono di scegliere nella maniera più efficiente possibile quale task far proseguire. Allo stato dell'arte, esistono scheduler O(1).
[modifica] Gestore di memoria
Il gestore di memoria è la componente del sistema operativo che si occupa di gestire ed assegnare la memoria ai processi che ne fanno richiesta. La gestione della memoria è necessaria per tenere traccia di quanta memoria è impegnata e di quanta invece è disponibile per soddisfare nuove richieste: in mancanza di un sistema di gestione, si avrebbe prima o poi il caso di processi che ne sovrascrivono altri, con gli ovvi inconvenienti.
Un altro buon motivo per registrare la memoria usata dai vari processi è il fatto che in caso di errori gravi i processi possono andare in crash e non essere più in grado di comunicare al sistema che la memoria che occupano può essere liberata: in questo caso è compito del gestore di memoria, in caso di terminazione anomala del processo, marcare come libere le zone di memoria possedute dal processo "defunto", rendendole disponibili per nuove allocazioni.
[modifica] Basic memory management
Questo tipo di tecnica è obsoleta sui portali attuali ma è la prima tecnica che permetteva il caricamento dei programmi nella memoria. Tuttavia è importante dato che viene attualmente utilizzata su sistemi embadded palmari o altri dispositivi. La tecnica si basa sul caricamento di un programma alla volta nella memoria.
[modifica] Multiprogrammazione con partizioni fisse
Questa tecnica permette di suddividere la memoria in molte partizioni alle quali una coda di processi gestisce il caricamento o la lettura dalla memoria. Questo tipo di tecnica è semplice da realizzare ma presenta dei problemi per l'algoritmo di allocazione e per l'aumentare della frammentazione della memoria.
[modifica] Swapping
Lo swapping è un metodo che permette di caricare in una memoria non abbastanza capiente un processo scaricando il processo caricato per primo in memoria. Il fatto di togliere un processo temporaneamente dalla memoria può causare problemi dato che lo scheduler può far richiesta di un processo non più presente nella memoria. Così facendo i processi non utilizzano tutta la memoria che viene allocata. Un altro grosso problema è costituito dalla frammentazione che non permette di sfruttare a pieno la memoria. Per questo motivo, ove possibile, si preferisce utilizzare il sistema di memoria virtuale.
[modifica] Gestore di memoria virtuale
Nel caso il sistema disponga di un meccanismo di memoria virtuale, il gestore della memoria si occupa anche di mappare la memoria virtuale offerta ai programmi sulla memoria fisica e sui dischi rigidi del sistema, copiando da memoria a disco rigido e viceversa le parti di memoria necessarie di volta in volta ai programmi, senza che i programmi stessi o gli utenti debbano preoccuparsi di nulla.
[modifica] Protezione della memoria
la protezione della memoria è un sistema per prevenire la corruzione della memoria di un processo da parte di un altro. Di solito è gestito via hardware (ad esempio con una MMU, Memory management unit) e dal sistema operativo per allocare spazi di memoria distinti a processi differenti.
[modifica] Interfaccia utente
Si tratta di un programma che permette all'utente di interagire con il computer. Esistono sostanzialmente due famiglie di interfacce utente: interfaccia a linea di comando e interfacce grafiche (GUI). Quando si parla di interfacce viene utile ricordare anche le Java Virtual Machine.
[modifica] Spooler di stampa
Lo spooler di stampa è stato storicamente il primo modulo esterno del sistema operativo ad essere implementato, per risolvere il problema della gestione delle stampe su carta. Infatti, essendo le stampanti elettromeccaniche dei dispositivi molto lenti, i primi programmi per elaboratore dovevano necessariamente sprecare molto tempo di CPU, estremamente prezioso all'epoca, per controllare la stampante ed inviarle i dati. Quindi venne ideato un programma separato, che girava con una priorità molto bassa e che era visto dagli altri programmi come una normale stampante: in realtà invece lo spooler accumulava i dati che un programma doveva stampare in una apposita area di memoria RAM, e poi si faceva carico del processo di stampa vero e proprio lasciando gli altri programmi liberi di continuare la loro esecuzione.
Il meccanismo fondamentale dello spooler di stampa è rimasto sostanzialmente invariato dai suoi albori fino ad oggi: con gli anni e con il progredire della tecnologia le modifiche più rilevanti sono state la capacità di gestire più stampanti selezionabili a piacere, e la capacità di gestire anche stampanti remote, collegate cioè non direttamente al computer su cui gira lo spooler ma ad altri elaboratori connessi via rete.
[modifica] I sistemi distribuiti in rete
Tra le varie ipotesi d'uso di un sistema operativo c'è anche anche la possibilità di sistemi distribuiti in rete . In tal caso la computazione viene distribuita tra più computer collegati in rete tra loro. In questo modo le risorse e il carico computazionale vengono condivise e bilanciate, si ottiene una maggiore affidabilità e i costi sono più contenuti nella scalabilità. Una configurazione funzionalmente simmetrica permette che tutte le macchine componenti abbiano lo stesso ruolo nel funzionamento del sistema e lo stesso grado di autonomia. Una approssimazione pratica di questa configurazione è il clustering.Il sistema viene suddiviso in cluster semiautonomi, dove ognuno di essi, a sua volta, è costituito da un insieme di macchine e da un server cluster dedicato.
[modifica] Sistemi operativi noti o importanti
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Per approfondire, vedi la voce elenco dei sistemi operativi. |
- AcornOS
- AmigaOS
- BeOS
- CP/67
- CP/CMS
- CP/M
- DOS
- GEOS
- GNU/Linux
- ALT Linux
- Arch Linux
- CentOS
- Damn Small Linux
- Debian GNU/Linux
- de:Dyne:bolic
- Fedora Core
- Fox Desktop
- Gentoo Linux
- Knoppix
- Kororaa
- Mandriva Linux, fino al 2004 nota con il nome "Mandrake Linux"
- MEPIS
- Pardus
- en:Puppy Linux
- Red Hat Linux
- Rxart
- Slackware (anche nella derivata (live) Slax)
- en:Slamd 64
- So.Di.Linux
- SUSE Linux
- Ubuntu Linux (anche nelle varianti Xubuntu, Kubuntu, Edubuntu, Ubuntu Lite)
- GNU/Hurd
- Mac OS
- Menuet OS
- MorphOS
- MSX-DOS
- MVS
- OS/2
- OS/400 ora I5/OS
- OS/360
- QNX
- POSIX
- TOS
- Unix
Sistema Operativo sviluppato sotto licenza GNU/GPL
Sistemi operativi Microsoft
- Windows
- Ambienti grafici a 16/32 bit per sistemi operativi MS-DOS:
- Windows 3.0
- Windows 3.1
- Windows 3.11 (Windows for Workgroups)
- Sistemi operativi Windows a 32 bit
- Sistemi operativi Windows a 32 bit su tecnologia NT
- Windows NT 3.x (versioni client e server)
- Windows NT 4 (versioni client e server)
- Windows 2000 (versioni client e server)
- Windows XP (versione client), Windows Server 2003 (versione server) e Windows XP x64 Edition (versione a 64 bit)
- Windows Vista (versione client), Windows Longhorn Server (versione server, in fase di sviluppo)
- Sistemi Operativi alternativi compatibili con varie versioni di windows
- ReactOS (clone open-source con architettura NT)
- Ambienti grafici a 16/32 bit per sistemi operativi MS-DOS:
[modifica] Bibliografia
- Architettura dei Sistemi di Elaborazione, volume 1 (F. Baiardi, A. Tomasi e Marco Vanneschi, 1988, editore Franco Angeli, ISBN 882042746X). Fondamenti, firmware, architetture parallele . [2]
- Architettura dei Sistemi di Elaborazione, volume 2 (F. Baiardi, A. Tomasi, Marco Vanneschi, 1987, editore Franco Angeli, ISBN 882042746X) Sistemi operativi, multiprocessore e distribuiti. [3]
[modifica] Voci correlate
- Elenco dei sistemi operativi
- Cronologia dei sistemi operativi
- Sistema operativo real-time
- Plug and Play
[modifica] Altri progetti
Commons contiene file multimediali su Sistema operativo
Wikibooks contiene testi o manuali su Sistema operativo
[modifica] Collegamenti esterni
- Introduzione ai Sistemi Operativi
- Sistemi Operativi, Maggio 2006
