L'obbiettivo del sistema operativo è controllare e coordinare l'utilizzo dell'hardware, tra le diverse applicazioni che vengono eseguite, e gli utenti.

Definiscono i modi in cui vengono usate le risorse del sistema, la memoria, la CPU, spazio sul disco, ecc. e servono a risolvere i vari problemi dell'utente. Gli utenti, infatti, faranno diversi usi di queste applicazioni.

L'utente di un sistema di calcolo potrebbe essere una persona, una macchina oppure un altro computer. Nell'ultimo caso, infatti, potrebbe essere un altro computer che si collega in remoto.

Il comportamento di un sistema operativo dipende dal punto di vista da cui lo si osserva.

• Dal punto di vista degli utenti dovrebbe avere delle buone performance e dovrebbe essere di semplice utilizzo. L'utente, infatti, non ha interesse nel sapere che il SO sia ben ottimizzato, ma vuole solo che esso "funzioni adeguatamente".

• Nel momento in cui abbiamo un computer condiviso, a cui vi si collegano diversi utenti (anche simultaneamente), esso deve gestire ogni connessione efficientemente, in modo che ogni utente riscontri delle buone performance.

• Gli utenti che usano delle workstation avranno bisogno di accedere a risorse condivise salvate su server, ed anche in questo caso il SO deve gestire al meglio le operazioni.

• I dispositivi mobili sono poveri di risorse, come batteria e capacità di calcolo, quindi il SO deve gestire in modo ottimizzato ogni operazione, in modo da ridurre l'utilizzo di CPU e batteria. Questi dispositivi hanno interfacce di I/O particolari, come touch screen, riconoscimento vocale.

• Alcuni computer hanno un'interfaccia molto ridotta o praticamente assente, come i sistemi embedded, utilizzati in automobili o elettrodomestici. Questo tipo di sistemi operano senza la supervisione di un utente.

Il termine sistema operativo può ricoprire molti ruoli.

Questo perché si possono avere molti sistemi diversi, e di conseguenza possiamo avere molti utilizzi diversi dei SO. Possiamo trovarli ovunque, dagli elettrodomestici meno costosi alle navicelle spaziali.

Non esiste una vera e propria definizione di SO, ma il concetto è che i SO sono talmente tanto diversi tra loro, che quello che viene "spacciato" per sistema operativo, è la definizione stessa di SO.

Nel momento in cui ho un dispositivo in funzione, c'è un minimo di software, indipendente dai programmi applicativi, che è sempre in esecuzione (quindi in memoria), pronto ad eseguire delle operazioni non appena si verifica un evento che ne richieda l'esecuzione.

Il Sistema operativo non è solo kernel, ma è l'unione di tanti piccoli "pezzi", come i programmi di sistema, che sono dei programmi preinstallati nel sistema operativo, oppure programmi applicativi, ovvero tutti i programmi che non sono associati al sistema operativo.

Nei sistemi operativi moderni ha preso l'uso di software chiamati middlewear, ovvero una via di mezzo tra software ed hardware, e sono dei software che forniscono servizi addizionali, per realizzare database, applicazioni multimediali ecc.

Nei computers una o più CPU, i controller di device (che sono delle unità indipendenti!), sono connessi attraverso un bus comune, che fornisce accesso alla memoria condivisa.

I controllers sono molto importanti, tutte le unità I/O non sono infatti connesse direttamente alla coppia CPU - Memoria, ma nel mezzo sono appunto posti i controllers, che sono visibili alla CPU.

Quindi, se la CPU volesse scrivere sul disco, essa scriverebbe sui controllers, che a loro volta scriverebbero sul disco.

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Le interruzioni sono un caso particolare delle eccezioni; un'eccezione è un qualsiasi fenomeno che interrompe il programma in esecuzione, e sposta il controllo su di un'altra parte del SO.

Una Trap o eccezione è un tipo di interruzione particolare generata dal software, causata o da un errore o da una richiesta dell'utente. Quando avviene, il processore salva lo stato del programma in esecuzione, ed effettua un jump ad un'altra locazione di memoria. Il metodo più utilizzato nei processori moderni è quello dell'interrupt vettorizzato: ogni causa di interruzione ha un proprio indirizzo a cui effettuare lo jump (indirizzi salvati in una tabella), questo permette di evitare di saltare ad un punto comune e solo poi determinare cosa è successo, ma saltare direttamente alla routine di quella particolare interruzione.

Un sistema operativo è interrupt driven, ovvero è guidato dalle interruzioni. Si può pensare al sistema operativo come un software che si mette in esecuzione nel momento in cui si verificano eccezioni o interruzioni.

In questa immagine si vede come dopo ogni completamento di operazione I/O, viene richiesto l'intervento del sistema operativo attraverso un'interruzione. Dopo che il SO ha gestito l'interruzione, il programma utente riprende l'esecuzione.

Il sistema operativo preserva lo stato della CPU salvando i registri ed il program counter, in modo da poter riprendere l'esecuzione del programma. L'interruzione può essere eseguita mediante un salto ad un'unica locazione di memoria, dove è presente un software che determina il richiedente dell'interruzione "chiedendo" ad ogni elemento, oppure tramite un sistema vettorizzato, ovvero un metodo più moderno e performante.

In questo sistema di interrupt vettorizzato è presente una lista di punti di ingresso delle varie routine e si salta direttamente alla routine interessata. In questo modo si salta tutta la fase di "investigazione" per capire chi ha generato l'interruzione.

Nel momento in cui parte un'operazione di I/O la CPU resta bloccata nel frattempo che l'operazione venga compiuta, oppure fa altro?

Il metodo più usato è quello di sbloccare la CPU in maniera tale che possa fare altro. La CPU gestisce quindi l'inizio del trasferimento I/O, dopodiché esegue altre operazioni, come eseguire un programma utente, e questo significa che possono verificarsi anche altre richieste da parte di altri controller. In fine il programma utente può fermarsi, ad esempio per richiedere dei dati, e quindi è presente un'opportuna system call che permette di attendere il completamento dell'operazione di I/O.

E` presente una memoria principale, ovvero l'unica memoria di grande capienza che la CPU può accedere direttamente, e questa memoria è composta da:

• Random access: memoria che consente un accesso casuale, ovvero una memoria in cui si può accedere a qualsiasi locazione di memoria negli stessi tempi.
• Tipicamente Volatile: questo tipo di memoria è volatile, quindi una volta che c'è un'interruzione di corrente, e quindi si spegne la macchina, la memoria viene azzerata.

Per memoria secondaria si intende tutto ciò che è sotto forma di disco (o SSD, memorie flash ecc.),.

Il DMA viene usato esclusivamente per devices ad alta velocità, in questi casi il controller permette l'accesso alla memoria direttamente, andando ad interrompere la CPU solo alla fine di un trasferimento. Nel caso del DMA viene trasferito un blocco di dati intero, anche da 64KB, senza interrupt. Questo è conveniente nel momento in cui ho una grande quantità di dati da dover trasferire

Ci sono sistemi che sono General purpose, ovvero sistemi che hanno più obbiettivi e destinati a diverse operazioni, e sistemi Special purpose, ovvero sistemi destinati ad un obbiettivo specifico.

I sistemi multi-processore stanno diventando sempre più diffusi e vengono detti paralleli o ad accoppiamento stretto, ovvero dove diverse CPU sono connessi alla stessa memoria. Questo tipo di computers servono ad avere, ovviamente, delle prestazioni migliori e ad avere una maggiore affidabilità (per via del maggior numero di CPU).

Quando ci sono CPU multiple connesse alla stessa memoria, sono possibili due schemi:

• **Schema Asimmetrico: ** le CPU si dividono i compiti ("io faccio questo e tu fai quello").
• **Schema Simmetrico: ** lo schema attualmente utilizzato nei sistemi moderni, permette ad ogni processore di eseguire lo stesso compito, aumentando il throughput complessivo.

UMA: Uniform Memory Access

Posso accedere a tutte le locazioni di memoria esattamente negli stessi tempi con ogni processore.

NUMA

Quando la CPU1 vuole accedere alla memory3, effettua l'operazione in maniera veloce, ma quando la stessa CPU vuole accedere, ad esempio, alla memory3, dovrà farlo tramite interconnessione. Questo vuol dire che i tempi di accesso, non sono uniformi, ovvero ci sono delle zone che richiedono meno tempo, e zone che richiedono più tempo.

Questo tipo di architettura non è utilizzata nei sistemi comuni, ma in sistemi che comprendono 64/128 processori, destinati ad un utilizzo di nicchia.

Sono sitemi in cui ci sono più computer indipendenti, che in qualche modo lavorano insieme. Con uno schema come quello precedente, possiamo costruire un cluster tramite un software che governa tutti i processori distribuendo vari compiti ad ognuno di essi. Questo tipo di sistemi possono essere utilizzati sia singolarmente che insieme.

Questi sistemi vengono utilizzati per applicazioni ad alte prestazioni, ovvero applicazioni che richiedono molto tempo di calcolo, e quindi richiedono una grande potenza di calcolo. Queste applicazioni vengono chiamate HPC, ovvero high-performance computing.

Un esempio classico per questo tipo di applicazione sono le previsioni meteo o la ricerca di pozzi di petrolio. Infatti queste operazioni richiedono dei calcoli enormi, e quindi spesso vengono utilizzati dei processori (sistemi singoli) organizzati in cluster (ovvero lavorano insieme).