Corso di Laurea in Informatica - A.A. 2002-03

Corso di Sistemi Operativi

Marino Miculan

Indice

Descrizione del corso

I concetti generali previsti per il corso, ampliamente coperti dal materiale bibliografico consigliato, verranno discussi a lezione in maniera relativamente indipendente da specifici sistemi operativi. Essi saranno comunque esemplificati facendo riferimento a comuni sistemi operativi (Unix, Linux, Windows NT, etc.)

Parallelamente, il corso accessorio di Laboratorio di Sistemi Operativi offre l'opportunità allo studente di mettere in pratica le nozioni apprese e di verificarne la comprensione. Inoltre tale corso offrirà le nozioni di base relative all'uso di linguaggi di scripting, della programmazione di sistema e della programmazione distribuita.
Allo studente, oltre che capire ed imparare quanto suggerito a lezione, verrà chiesto di svolgere alcuni progetti. Condizione necessaria per sostenere l'esame di Sistemi Operativi è lo svolgimento dei progetti obbligatori del corso di Laboratorio.

Programma

1. Aspetti generali
   • Ruolo del sistema operativo (SO) in un sistema di calcolo;
   • evoluzione dei SO; tipi di SO (batch/interattivi, time-sharing/dedicati, real-time, paralleli, distribuiti, sistemi embedded...);
   • richiami sull'architettura di un sistema di calcolo (livelli di esecuzione delle istruzioni, gestione delle interruzioni, gestione dell'I/O);
   • Il SO come gestore di risorse: processi, memoria, dispositivi, file, interazione con l'utente;
   • il SO come macchina virtuale: il nucleo, le chiamate di sistema;
   • Struttura di un sistema operativo (monolitico, a livelli, macchine virtuali, exokernel, microkernel client-server)
   • Esempi: Unix tradizionale, Linux, Solaris, Mach, Windows NT.
2. Processi e Thread
   • il concetto di processo: definizione e ruolo, il descrittore di processo;
   • la manipolazione dei processi: la creazione/terminazione di un processo, grafo degli stati di un processo, la commutazione di contesto, lo scheduling di processi
   • i processi leggeri (threads): modello a thread, thread a livello utente vs. a livello kernel, soluzioni ibride, thread pop-up, passaggio da thread singolo a multithread;
   • ruolo del nucleo: gestione interruzioni e traps, operazioni di wait e signal su condizioni di attesa;
   • lo scheduling dei processori: concetti di base, criteri di scheduling, algoritmi di scheduling, scheduling di sistemi a multiprocessore, scheduling real-time;
3. Programmazione concorrente
   • race conditions, e sezioni critiche
   • mutua esclusione
   • sincronizzazione tra processi e memorie condivise
   • scambio messaggi
   • primitive di comunicazione e sincronizzazione: semafori, mutex, monitor, scambio di messaggi;
   • problemi classici: produttore/consumatore, filosofi, lettori/scrittori, barbiere;
   • stallo: definizione, modelli per lo stallo, identificazione, prevenzione
4. Gestione della memoria
   • gerarchie di memoria: registri, cache, memoria centrale, memoria virtuale, dischi;
   • il binding degli indirizzi, spazi logici e fisici di indirizzamento, la rilocazione;
   • tecniche di allocazione: contigua, la paginazione, la segmentazione; la frammentazione;
   • la memoria virtuale: paginazione a richiesta, algoritmi di sostituzione delle pagine, il thrashing, il modello Working set
5. Input/Output
   • Tipi di dispositivi di I/O. Principi dell'hardware di I/O.
   • Gestione a basso livello dei dispositivi di I/O. PIO, DMA, DVMA.
   • Il trattamento delle interruzioni, i driver di I/O. I/O bloccante, non bloccante, asincrono. Interfaccia per le applicazioni.
   • I dischi. Algoritmi di Schedulazione dei dischi.
6. Il file system
   • il file, attributi, operazioni, struttura fisica;
   • metodi di accesso sequenziale, diretto, a indice;
   • le directory e la struttura logica di un file system: piatta, gerarchica, a grafo;
   • la protezione; la consistenza;
   • implementazione dei file system: organizzazione, allocazione e gestione spazio libero, backup e restore.
   • struttura di un disco: gestione delle partizioni, gestione delle aree di swap
   • Il caso di Unix: UFS, EXT2. Tabelle in kernel. Il Virtual File System. Risoluzione dei nomi in inode.
   • Operazioni su dischi, partizioni e file system.
   • Cenni ai journaled file system.
7. Sistemi con processori multipli
   • Concetti generali. Processori strettamente/debolmente accoppiati.
   • Multiprocessori. Aspetti hardware, software. Limitazioni.
   • Multicomputer. Aspetti hardware. Comunicazione a basso livello, a livello utente. RPC. Memoria condivisa distribuita.
   • Sistemi distribuiti. Servizi e protocolli di rete, e distribuiti. Il modello client/server, protocolli. Modello ISO/OSI, la suite TCP/IP. Middleware di comunicazione.
   • Modelli distribuiti basati sulla migrazione dei dati, della computazione, dei processi; su coordinazione distribuita.
   • Chiamate di procedure remote (RPC). Esempio di servizio distribuito: NFS.

Bibliografia

Testi consigliati

1. I moderni sistemi operativi (II ed.), A. Tanenbaum, Jackson Libri, 2002. ISBN 88-256-1898-0
   È il libro di testo principale. Capitoli 1-6,8,10,11.
2. Cronologia di Unix
3. Trasparenze usate in aula, per l'intero corso, in un unico file PDF.
4. Trasparenze di Andrew Tanenbaum e modificate da me (in inglese).

Testi di consultazione

1. Distributed Systems, A. Tanenbaum, M.R. Van Steen. Prentice Hall, 2002.
   Il naturale completamento in ambito distribuito del testo adottato.
2. Sistemi Operativi V ed. A. Silberschatz, P. Galvin, Addison Wesley, 1998. ISBN: 88-7192-064-3.
   
3. UNIX for Programmers and Users, seconda edizione. Graham Glass, King Ables. Prentice-Hall, 1999.
   Specialmente il capitolo 13, sugli internal di Unix.
4. Unix distributed programming, Chris Brown, Prentice-Hall 1994. ISBN: 0-13-075896-5.
   Un ottimo testo consigliato a chiunque intenda svolgere della programmazione concorrente e distribuita in Unix. Non tratta i threads. Difficile da trovare (non è più stampato)
5. Unix system programming, Keith Haviland, Dina Gray, Ben Salama, seconda edizione. Addison Wesley, 1998. ISBN: 0-201-87758-9.
   Buon libro di programmazione, ricco di esempi. Può essere usato come (parziale) rimpiazzo dell'introvabile Brown. Non tratta i threads.

Orario delle lezioni e ricevimento

Il ricevimento si svolge presso lo studio del docente (SN13, Dipartimento di Matematica e Informatica). Eventualmente anche su appuntamento: miculan@dimi.uniud.it

Nota Bene: Nel mese di Agosto 2003, il ricevimento avra' luogo solo durante la settimana 18-22. Precisamente, lunedi' 18 e martedi' 19, dalle 10 alle 12, oppure su appuntamento.

Modalità d'esame

Ecco alcune FAQ:

Quanto conta il voto del corso di Laboratorio S.O.?

Il 10% del totale. Più precisamente, a partire dal secondo appello, il voto dell'esame è determinato dalla somma di tre valori: V_finale = V_scritto + V_lab + V_orale dove, in generale

• 0 ≤ V_scritto ≤ 27
• 0 ≤ V_lab ≤ 3
• -3 ≤ V_orale ≤ 3; 0 se non sostenuto.

Precisamente, cosa è una "situazione di confine"?

L'ammissione e l'obbligatorietà dell'esame orale è data dalla seguente regola

• V_scritto + V_lab ≤ 15: non ammesso
• 16 ≤ V_scritto + V_lab ≤ 19: obbligatorio
• 20 ≤ V_scritto + V_lab ≤ 27: facoltativo
• 28 ≤ V_scritto + V_lab: obbligatorio

Ne consegue che per essere ammessi all'orale è necessario aver conseguito il voto di Laboratorio S.O.

In cosa consiste l'orale?

In due-tre di domande. Con l'orale si può variare il voto dello scritto al massimo di due-tre punti. In più, ma anche in meno.

Le domande saranno su argomenti teorici del libro e dispense, o qualcos'altro?

Su argomenti teorici del libro, delle dispense e trattati in aula. Ma anche qualcos'altro.

Se l'orale va male, posso tenermi il voto dello scritto?

No. Una volta iniziato l'orale, questo fa parte integrante dell'esame e concorre alla formazione del voto finale.

È necessario iscriversi su Sindy per sostenere lo scritto?

Sì. Dato che i compiti verranno preparati in funzione del numero di iscritti, per essere ammessi all'esame è necessario iscriversi presso Sindy (http://www.sindy.uniud.it/) almeno due giorni prima la data dello scritto. Chi non fosse in grado di iscriversi via web, può contattarmi direttamente via email.

È necessario iscriversi su Sindy per sostenere l'orale?

No, in quanto gli ammessi all'orale si sono già iscritti su Sindy per lo scritto.

È necessario aver conseguito il voto di Laboratorio per sostenere l'orale?

Sì. Vedi sopra.

In quale ordine si svolgono gli orali?

Nell'ordine di iscrizione su Sindy (per gli scritti)

Quando si registra il voto di chi ha superato lo scritto ma non deve (né vuole) fare l'orale?

I voti intermedi (tra 20 e 27, compresi) vengono registrati il giorno dell'orale, prima di iniziare gli orali.

Risultati delle prove scritte

1. 16/06/2003: risultati.
2. 14/07/2003: risultati.
3. 01/09/2003: risultati.
4. 24/09/2003: risultati.
5. 01/12/2003: risultati, soluzione.