Programma A.A. 2012/13

Il corso è strutturato in due moduli: il primo modulo presenta i fondamenti dei sistemi operativi e il secondo modulo di laboratorio mostra un’applicazione concreta dei concetti teorici presentati nel primo modulo. Il primo modulo introduce i principi ed i concetti su cui si basano i sistemi operativi e analizza la loro realizzazione nei sistemi reali. In particolare, vengono presentate le tecniche che consentono di coordinare e gestire le risorse di un sistema di elaborazione e che permettono di trasformare la macchina fisica in una macchina astratta, dotata di funzionalità più convenienti per l'utente. Il corso lascia ampio spazio alla descrizione e all'esemplificazione di come i vari concetti presentati sono realizzati nei sistemi Unix/Linux e in quelli della famiglia Microsoft Windows. Il secondo modulo fornisce le conoscenze di base relative alla programmazione C con chiamate di sistema Unix/POSIX. In particolare, vengono prese in considerazione le chiamate standard per il trattamento di file e directory, processi, thread, segnali, pipe, socket e vari meccanismi di sincronizzazione.

Conoscenze. Lo studente raggiungerà la conoscenza delle problematiche dei sistemi operativi e delle caratteristiche dei sistemi attualmente più usati

Capacità. Lo studente raggiungerà la capacità di realizzare programmi in C usando librerie e chiamate di sistema UNIX/Posix.

Comportamenti. Il corso non si pone obiettivi di apprendimento in termini di comportamenti attesi.

Il corso tratta i fondamenti dei moderni sistemi operativi, presentando i concetti di base e la loro applicazione nei sistemi reali. I principali argomenti trattati sono:

• Struttura dei sistemi operativi, nucleo. chiamate di sistema
• Processi e threads
• Gestione della memoria e dei dispositivi di ingresso/uscita
• Archivi e sistema di archiviazione
• Sistemi reali: Unix/Linux, Windows
• Programmazione in C di sistemi UNIX/Posix

Introduzione (2 ore)

• Il sistema operativo: ruolo, funzionalità e struttura;
• Evoluzione dei sistemi operativi: batch, multiprogrammazione, time-sharing
• Richiami sul funzionamento dell’elaboratore: interruzioni e loro gestione, I/O,
• Stato del processore, chiamate di sistema.

Organizzazione dei Sistemi Operativi (2 ore)

• Funzionalità
• Struttura: sistemi monolitici e modulari; sistemi stratificati; sistemi a microkernel
• Organizzazione e funzionalità dei sistemi operativi Unix e Windows.

I processi (8 ore)

• Il concetto di processo
• Stati dei processi
• Realizzazione dei processi nel Sistema Operativo
• Operazioni sui processi
• Processi e thread
• La gestione dei processi e dei thread in Unix e in Windows: stati, rappresentazione, gestione (scheduling), operazioni e comandi

Interazione tra processi (8 ore)

• Interazione mediante memoria condivisa: sincronizzazione; sezioni critiche e mutua esclusione; strumenti hardware per la mutua esclusione: test-and-set; semafori
• Interazione mediante scambio di messaggi: comunicazione diretta/indiretta, simmetrica/asimmetrica; buffering.
• Interazione tra processi in Unix: pipe e FIFO; segnali
• Interazione tra processi in Windows

Gestione del processore (4 ore)

• Concetti generali e politiche di scheduling
• Algoritmi di scheduling: FCFS,SJF, con priorità, Round Robin, con code multiple.
• Scheduling in Unix e in Windows.

Gestione della Memoria (10 ore)

• Concetti generali: spazio degli indirizzi logico/fisico; collegamento
• Allocazione della memoria: contigua: a partizione singola e partizioni multiple; frammentazione;
• Allocazione della memoria non contigua: segmentazione; paginazione
• Memoria virtuale
• Gestione della memoria in Unix e in Windows.

Gestione dei dispositivi di I/O (6 ore)

• I dispositivi di I/O e la loro gestione: concetti generali
• Organizzazione e gestione dei dischi
• RAID

Gestione degli Archivi (8 ore)

• File system e sua realizzazione
• Struttura logica; metodi di accesso
• Struttura fisica; allocazione dei file
• Protezione
• Il file system di Unix: organizzazione logica e fisica, comandi e system calls per la gestione e l’accesso a file e directories
• Il file system di Windows

Strumenti per la programmazione C in ambiente GNU (e dintorni) (2h lez + 2h ese)

• compilazione e linking
• suddivisione di un programma in moduli: gestione(make) e archiviazione (ar)
• debugging
• cenni ad altri tool

Unix e la shell (6h lez + 6h ese)

• Unix: concetti di base, comandi/utility
• La shell di Unix:
  • introduzione alla shell
  • cenni agli script
  • personalizzazione con alias ed opzioni e variabili
  • espansione (alias, storia, tilde, percorso, variabili, sostituzione di comando, espressioni aritmetiche)
  • quoting
  • Controllo dell'I/O: ridirezione
  • Exit status
  • Combinare comandi
  • pipelining
  • sequenza non condizionale
  • sequenze condizionali &&, ||
  • comandi composti (uso di {…} e (…) )
  • Operatori su stringhe (pattern matching)
  • Costrutti di controllo :condizionale (if) e test, iterazione limitata (for), scelta multipla (case), iterazione illimitata (while e do/while), menu' con select.
  • Read, exec, eval

C e la programmazione di sistema (1h lez)

• cos'e' una System Call
• gestione sistematica degli errori
• consigli pratici di programmazione
• convenzioni e commenti

I file (2h lez + 2 h ese)

• concetti base dei FS Unix
• operazioni di base (open, read, write, close, lseek)
• link: concetti e system call per la gestione
• manipolare e accedere alle informazioni sui file (stat, fcntl, ioctl) (brevi cenni)
• gestione delle directory (opendir,readdir,…,closedir) (brevi cenni)
• duplicazione di descrittori (dup e dup2)

I processi (2h lez + 2h ese)

• il modello fork/exec
• gestione dei figli (wait), exit status
• atexit(), _atexit()

I thread (3h lez + 4h ese)

• i modello a thread
• creazione e distruzione
• mutex e variabili di condizione
• soluzione ti tipici problemi di concorrenza

Maccanismi di IPC : Pipe (2h lez + 2h ese)

• Pipe anonime
• Pipe con nome (FIFO)

Maccanismi di IPC : Socket (2h lez + 2h ese)

• Modello client-server
• Socket per comunicazione locale (AF_UNIX)
• Socket per comunicazione in rete (AF_INET)

Segnali (2h lez + 2h ese)

• Concetti generali: eventi asincroni, gestori di eventi
• Ignorare, gestire, mascherare ed attendere i segnali
• Segnali, processi e thread

Ore lezione: 52 Ore esercitazione: 40

Libri di testo

• Paolo Ancilotti, Maurelio Boari, Anna Ciampolini, Giuseppe Lipari: Sistemi Operativi (Seconda Edizione), Mc Graw-Hill, 2008.
• Marc J. Rochkind. Advanced UNIX Programming 2nd Edition, Addison-Wesley Professional Computing Series, 2004.

Altri Testi Consigliati:

• Andrew S. Tanenbaum. I Moderni Sistemi Operativi (Terza Edizione). Pearson Prentice Hall, 2009
• Andrew S. Tanenbaum. Modern Operating Systems (Third Edition). Pearson-Prentice Hall, 2008
• A. Silbershatz, P. Galvin, G. Gagne: Sistemi Operativi (5^ edizione), Apogeo, 2005