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  1. Informatica Lezione 7 Scienze e tecniche psicologiche dello sviluppo e dell'educazione (laurea triennale) Anno accademico: 2007-2008

  2. Computer Hardware + Software

  3. Il software • L’hardware da solo non è sufficiente per il funzionamento del computer ma è necessario introdurre il software • Componente del computer costituita dai: • programmi di base per la gestione del sistema • programmi applicativi per l’uso del sistema • Queste componente permettono di trasformare il hardware in un oggetto in grado di svolgere delle funzioni di natura diversa • La proprietà fondamentale dei computer è il fatto di essere programmabili

  4. Il software • Una programmazione diretta della macchina hardware da parte degli utenti creerebbe delle serie difficoltà

  5. LOAD 32 R2 Il software ADD R1 84 • Una programmazione diretta della macchina hardware da parte degli utenti creerebbe delle serie difficoltà • L’utente dovrebbe conoscere l’organizzazione fisica dell’elaboratore e il suo linguaggio macchina


  6. 011100010111010101000011110 Il software • Una programmazione diretta della macchina hardware da parte degli utenti creerebbe delle serie difficoltà • L’utente dovrebbe conoscere l’organizzazione fisica dell’elaboratore e il suo linguaggio macchina • Ogni programma dovrebbe essere scritto utilizzando delle sequenze di bit ed ogni piccola differenza hardware comporterebbe una riscrittura del programma stesso

  7. 011100010111010101000011110 Il software Il software • Una programmazione diretta della macchina hardware da parte degli utenti creerebbe delle serie difficoltà • L’utente dovrebbe conoscere l’organizzazione fisica dell’elaboratore e il suo linguaggio macchina • Ogni programma dovrebbe essere scritto utilizzando delle sequenze di bit ed ogni piccola differenza hardware comporterebbe una riscrittura del programma stesso Una programmazione diretta della macchina hardware da parte degli utentinon è accettabile

  8. 0101010001110101000111101010001111000010101010001111000001110101101010100011101010001111010100011110000101010100011110000011101011 Il software ? • È necessario fornire un meccanismo per astrarre dall’organizzazione fisica della macchina • L’utente deve: • usare nello stesso modo (o comunque in un modo molto simile) macchine diverse dal punto di vista hardware • avere un semplice linguaggio di interazione con la macchina • avere un insieme di programmi applicativi per svolgere compiti diversi

  9. Hardware 011100010111010101000011110 La macchina virtuale • Nei moderni sistemi di elaborazione questi obiettivi vengono raggiunti grazie alla definizione di macchine virtualiche vengono realizzate al di sopra della macchina hardware reale Utente Macchina virtuale (software)

  10. La macchina virtuale • Questa macchina si dice virtuale in quanto essa non esiste fisicamente • Si può fare in modo che macchine (fisicamente) differenti siano usabili in modo simile • Si tratta di costruire al di sopra delle diverse macchine fisiche la stessa macchina virtuale

  11. La macchina virtuale • La macchina virtuale viene realizzata mediante il software (software di base) • L’utente interagisce con la macchina virtuale grazie ad un opportuno linguaggio di comandi

  12. Linguaggio di comandi • Ogni computer ha un linguaggio macchina le cui istruzioni sono direttamente eseguibili dalla macchina hardware • Al di sopra di questo linguaggio è possibile definire altri linguaggi • È anche possibile fornire delle regole per tradurne le istruzioni degli altri linguaggi in opportune sequenze di istruzioni in linguaggio macchina

  13. Hardware 011100010111010101000011110 Linguaggio di comandi • La macchina virtuale si preoccupa della traduzionedi ogni comando impartito dall’utente nella sequenza di comandi che realizzano la stessa funzione e sono riconosciuti dalla macchina fisica sottostante Utente Traduzione Macchina virtuale (software)

  14. Linguaggio di comandi • Per esempio: interfaccia testuale • MS-DOS, Unix shell, Linux shell • Lavorando con una interfaccia testuale i comandi vengono impartiti mediante la tastiera • Ogni comando ha un suo nome e una sintassi ben precisa C:> print foo1.doc Can’t find file foo1.doc C:> prompt

  15. C:> print foo1.doc Can’t find file foo1.doc C:> Linguaggio di comandi (interfaccia testuale) Dai il messaggio di prompt all’utente Quando arriva il comando, riconoscilo Se è corretto, esegui l’azione corrispondente Se è errato, dai un messaggio di errore Al termine dell’operazione, torna all’inizio

  16. Linguaggio di comandi (interfaccia grafica) • Per esempio: interfaccia grafica • Nei calcolatori con interfaccia grafica molti comandi sono impartiti mediante l’interazione attraverso il mouse e la tastiera • Cioè il clic (il doppia clic, …) del mouse su un’icona viene tradotto in una opportuna sequenza di istruzioni che il computer esegue per soddisfare la richiesta dell’utente

  17. Linguaggio di comandi (interfaccia grafica) Microsoft Windows

  18. Linguaggio di comandi (interfaccia grafica) Mac OSX di Apple

  19. Linguaggio di comandi (interfaccia grafica) Linux

  20. Il software di base • Software di base: realizza la macchina virtuale • Gli strumenti software che permettono all’utente (e ai programmi applicativi) • di interagire con l’elaboratore in modo semplice (funzioni di traduzione tra linguaggi diversi) e • di gestire le risorse fisiche • Il sistema operativo fa parte del software di base

  21. Il sistema operativo • È il componente software fondamentale di un computer • È formato da un insieme di programmi che interagiscono tra loro per realizzare due obiettivi • Creare un ambiente virtuale per l’interazione con l’utente • Gestire efficientemente l’elaboratore e i suoi dispositivi

  22. Funzioni principali del sistema operativo • Gestione del processore e dei programmi in esecuzione (detti processi) • Gestione della memoria principale • Gestione della memoria virtuale • Gestione della memoria secondaria • Gestione dei dispositivi di input/output • Interazione con l’utente

  23. Hardware 011100010111010101000011110 Il sistema operativo Utente Avvio Gestione: i processi, la memoria, i disp. di input/output Interfaccia utente

  24. Il sistema operativo • Dal punto di vista strutturale il sistema operativo è formato da un insieme di livelli, che formano la cosi detta “struttura a cipolla” • Idealmente l’utente è ignaro di tutti i dettagli delle operazioni svolte dai livelli inferiori della gerarchia e conosce solo le operazioni del livello più alto

  25. Il sistema operativo • Mono-utente o multi-utente (mono/multi-user) • Si distingue tra elaboratori di tipo personale e elaboratori utilizzabili da più utenti contemporaneamente • Mono-programmati o multi-programmati (mono/multi-tasking) • Si distingue tra elaboratori in grado di eseguire un solo programma alla volta oppure più programmi “contemporaneamente”

  26. Avvio dell’elaboratore • Il sistema operativo viene mandato in esecuzione al momento dell’accensione del computer • Questa fase prende il nome di bootstrap • In questa fase una parte del sistema operativo viene caricata nella memoria principale • In genere questa parte del sistema operativo comprende: • I programmi per la gestione del processore • I programmi per la gestione della memoria • I programmi per la gestione dell’input/output • I programmi per la gestione delle risorse hardware • I programma per la gestione del file system • Un programma che crea l’interfaccia verso l’utente

  27. Avvio dell’elaboratore 0 1 • Una parte del sistema operativo deve essere sempre mantenuta in memoria principale e deve essere sempre pronta per l’esecuzione 2 S.O. 3 4 5 spazio utente N

  28. Avvio dell’elaboratore: i virus • Spesso durante questa fase sono eseguiti anche dei programmi che verificano l’eventuale presenza di virussul disco dell’elaboratore • I virus può danneggiare il funzionamento dell’elaboratore • I virus possono essere trasmessi da un elaboratore ad un altro

  29. Funzioni principali del sistema operativo • Gestione del processore e dei programmi in esecuzione (detti processi) • Gestione della memoria principale • Gestione della memoria virtuale • Gestione della memoria secondaria • Gestione dei dispositivi di input/output • Interazione con l’utente

  30. Sistemi mono-utente, mono-programmati • Un solo utente può eseguire un solo programma alla volta • È forzato a “sequenzializzare” i programmi • Il programma viene lanciato, eseguito e quindi terminato • Il processore nonviene sfruttato al meglio: si spreca molto tempo • Il processore è molto più veloce dei supporti di memoria secondaria e delle altre periferiche • Passa la maggior parte del suo tempo in attesa • Durante l’attesa si dice che il processore è un uno stato inattivo (idle)

  31. Esempio 1 • Un processo è costituito da 1000=103 istruzioni • Ogni istruzione richiede 10-6 secondi per essere eseguita dal processore • Tempo totale di esecuzione: 103 * 10-6 = 10-3 = 1 millisecondo • A metà esecuzione è richiesta la lettura di un dato dal disco. Il tempo di lettura è 1 millisecondo • Tempo totale di esecuzione = 2 millisecondi • Idle time = 1 millisecondo: 50% del tempo totale di esecuzione è tempo sprecato

  32. Esempio 2 • Un processo è costituito da 1000=103 istruzioni • Ogni istruzione richiede 10-6 secondi per essere eseguita dal processore • Tempo totale di esecuzione: 103 * 10-6 = 10-3 = 1 millisecondo • A metà esecuzione è richiesta un dato al’utente. Il tempo di reazione è 1 secondo • Tempo totale dell’esecuzione = 1001 millisecondi • Idle time = 1 secondo: 99,9% del tempo totale di esecuzione è tempo sprecato

  33. Esecuzione sequenziale Processo P1 Processo P2 inizio fine inizio fine in attesa esecuzione Processore attivo idle

  34. Esecuzione sequenziale • Supponiamo che il nostro sistema sia un bar in cui il barista serve diversi clienti • Il barista è corrispondente del processore, i clienti sono l’equivalente dei processi da eseguire • Esecuzione mono-programmati: Cliente 1 Cliente 2 Consumare Consumare Ordinare Preparare il caffè Ordinare Preparare il caffè Pagare Pagare

  35. Soluzione • In realtà (normalmente…) c’è alternanza tra i clienti: Cliente 1 Cliente 2 Ordinare (C1) Ordinare (C2) Pagare (C1) Preparare il caffè (C1) Preparare il caffè (C2) Pagare (C2)

  36. Soluzione: sistemi multiprogrammati • Quando il processore è nello stato di idle la si può sfruttare per eseguire (parte di) un altro processo • Quando un processo si ferma (per esempio in attesa di un dato dall’utente) il processore può passare ad eseguire le istruzioni di un altro processo • Il sistema operativo si occupa dell’alternanza tra i processi in esecuzione

  37. Sistemi multiprogrammati Dal punto di vista dei processi P1 P2 Dal punto di vista del processore esecuzione P2 esecuzione P1

  38. Sistemi multiprogrammati • Più programmi sembrano essere eseguiti “contemporaneamente” • In realtà in esecuzione c’è sempre un soloprocesso • Ma, se l’alternanza è molto frequente, si ha un’idea di simultaneità

  39. Sistemi multiprogrammati • Un processo può trovarsi in tre diversi stati: in esecuzione, in attesa, pronto esecuzione Quando sta utilizzando il processore pronto attesa Quando è in attesa del verificarsi di un evento esterno Quando è potenzialmente in condizione di poter utilizzare il processore che è occupato da un altro processo

  40. Sistemi multiprogrammati terminazione esecuzione richiesta I/O o risorse scambio esecuzione pronto attesa I/O terminato o risorsa disponibile

  41. Sistemi multiprogrammati • Quando un processo viene creato viene • messo nello stato di pronto • in tale stato rimane fino a quando • non arriverà il suo turno pronto

  42. Sistemi multiprogrammati esecuzione scambio esecuzione pronto attesa

  43. Sistemi multiprogrammati Un processo può abbandonare lo stato di esecuzione per tre diverse ragioni esecuzione pronto attesa

  44. Sistemi multiprogrammati Un processo può abbandonare lo stato di esecuzione per tre diverse ragioni terminazione esecuzione Il processo termina la sua esecuzione e abbandona il sistema pronto attesa

  45. Sistemi multiprogrammati Un processo può abbandonare lo stato di esecuzione per tre diverse ragioni terminazione esecuzione richiesta I/O o risorse pronto attesa Il processore viene liberato e può essere concesso ad un altro processo pronto

  46. Sistemi multiprogrammati Un processo può abbandonare lo stato di esecuzione per tre diverse ragioni terminazione esecuzione richiesta I/O o risorse scambio esecuzione pronto attesa Per realizzare in modo equo l’alternanza tra i processi, in certi casi può essere opportuno fermare un processo e concedere il processore ad un altro processo

  47. Sistemi multiprogrammati • In quali casi èopportuno fermare un processo e concedere il processore ad un altro processo? • Se un processo non si ferma mai in attesa di input/output o di una risorsa • Se più utenti vogliono usare il computer • In questi casi è necessario far sì che il processore sia distribuita tra i processi dello stesso utente e di utenti diversi • Si parla di scheduling del processore

  48. Esempio di scheduling: Round Robin • Ad ogni processo viene assegnato un quanto di tempo del processore (time slice) • Terminato il quanto di tempo, il processo viene sospeso e rimesso nella coda dei processi pronti (al fondo della coda) • Il processore viene assegnata ad un altro processo pronto • Un processo può usare meno del quanto che gli spetta se deve eseguire operazioni di I/O oppure ha terminato la sua computazione

  49. Esempio di scheduling: Round Robin Nel caso della politica di scheduling Round Robin terminazione esecuzione richiesta I/O o risorse in esecuzione quanto di tempo scaduto pronto attesa I/O terminato o risorsa disponibile

  50. Sistemi multi-utente, multi-programmati • Più utenti possono usare allo stesso tempo il computer • … perché il processore viene assegnata periodicamente ai processi dei vari utenti (per esempio ogni 10 o 100 millisecondo) • All’aumentare del numero di processi e del numero di utenti le prestazioni del sistema possono degradare