1. API e ABI
• Application Program Interface (API)
– Insieme delle regole che definiscono
l'interfaccia del SO, in termini di funzioni
utilizzabili
• Application Binary Interface (ABI)
– Insieme delle regole che definiscono
l'interazione di un programma con le librerie
• Obiettivi:
– Garantire la riproducibilità del processo di
compilazione su diverse istanze dello stesso
SO (API)
– garantire la compatibilità di comportamento di
un programma fra diverse istanze dello stesso
SO (ABI) 1
2. Tassonomia
• Su quali strutture si mappano i programmi ora
visti?
• Strutture di SO reali
– Struttura semplice, struttura stratificata
– Macrokernel, Microkernel, Hybrid kernel
2
3. Tassonomia
• Tutte le tassonomie prevedono:
– User space: insieme degli indirizzi in cui sono
memorizzati i software che girano con privilegi
ridotti
– Kernel space: insieme degli indirizzi in cui
sono memorizzati i software che girano con
privilegi pieni
– User mode: modalità con cui il SO esegue il
codice con privilegi ridotti
– Kernel mode: modalità con cui il SO esegue il
codice con privilegi pieni
3
4. Struttura semplice
• In realtà, è una assenza di struttura vera
e propria
– sistemi “giocattolo”
– massima funzionalità nel minimo spazio
• Due elementi principali:
– kernel (gestione interruzioni, driver)
– programmi di sistema e applicativi
• Esempi:
– MS-DOS
– Primi UNIX
4
5. MS DOS: caratteristiche
• Microsoft Disk Operating System
– Famiglia di sistemi operativi per PC IBM
compatibili (1981-1995)
• Caratteristiche:
– singolo utente
– singolo task
– interfaccia semplice da linea di comando
• Funzioni del kernel non eseguibili
concorrentemente (non rientranti)
– una volta invocato un servizio di sistema,
non può essere interrotto
5
6. MS DOS e IBM PC: caratteristiche
• I primi processori IBM (8088) potevano
indirizzare 2^20=1024KB
– Primi 640 KB: RAM programmi (conventional
memory)
– Ultimi 384 KB: dedicati all'hardware (upper
memory area)
• “640K is more memory than anyone will ever
need”, Bill Gates, 1981
– Ovviamente, ai programmatori 640KB non
bastarono più e cominciarono ad usare anche
gli ultimi 384KB
– Bisogno di aumentare la RAM disponibile
– Bisogno di mantenere la compatibilità hw/sw
6
7. MS DOS e IBM PC: caratteristiche
• Intel 80286 (1982): in grado di indirizzare 16MB
di memoria
• Memoria sopra il primo MB: extended memory
– gestita tramite il driver himem.sys
• Primi 64KB (-16 byte) della extended memory:
high memory
– Utilizzati per estendere il DOS
7
8. MS DOS e IBM PC: caratteristiche
• Intel 80286 (1982): in grado di indirizzare 16MB
di memoria
• Due modalità di uso: real mode e protected
mode
• Real mode:
– equivalente ad un vecchio 8086/8088
– Indirizzamento a 20 bit
• Protected mode:
– Utilizzo di una Memory Management Unit
(MMU) per l'indirizzamento dei 16MB
8
9. MS DOS e IBM PC: caratteristiche
• Intel 80386 (1985): in grado di indirizzare 4GB
di memoria (extended memory)
• Real mode:
– equivalente ad un vecchio 8086/8088
– Indirizzamento a 20 bit
• Protected mode:
– Utilizzo di una Memory Management Unit
(MMU) per l'indirizzamento dei 4GB
– Paginazione
• Virtual 8086 mode:
– Real mode + modello di segmentazione di un
8086 + paginazione
9
10. MS DOS: chiamate di sistema
• Invocabili tramite l'eccezione 21H
(int 21H, int 0x21)
• Il registro %eax contiene l'identificatore della
chiamata di sistema
• Categorie:
– Standard character device I/O
– Memory management
– Process management
– File and directory management
– Miscellaneous
10x
11. MS DOS: programmi TSR
• Una chiamata di sistema (Terminate and Stay
Resident, TSR) permette di ritornare il
controllo al sistema, mantenendo in memoria il
programma che la invoca
• Il programma torna in esecuzione sulla base di
eventi esterni
• Meccanismo primordiale per:
– multitasking (forzato da eventi)
– server
– software gestione di dispositivi hardware
11
12. MS DOS: programmi TSR
• Un programma scrive il proprio indirizzo di
partenza in uno o più elementi del vettore delle
interruzioni
• Quando un programma vuole interrompere il
proprio funzionamento, invoca l'eccezione
relativa al TSR:
– int 21H (prime versioni, limite di 64KB)
– int 27H (nessun limite di memoria, exit code)
• Meccanismo ideale per creare un virus
– si impostano i vettori di interruzione relativi
all'I/O alla routine principale del virus
– ciascuna richiesta di I/O allega il virus al file
12
13. MS DOS: componenti
• Il sistema MS DOS è composto da tre parti
principali: BIOS, kernel, shell
• BIOS: Basic Input/Output System
– circuito integrato (ROM, EPROM, EEPROM)
contenente I software di gestione delle
periferiche (device driver)
– funzioni di lettura/scrittura invocabili tramite
eccezioni (trap) o tramite il file io.sys
– fornito dalle case produttrici delle schede
madri, piuttosto che dalla Microsoft
– occupa gli indirizzi vicini al 1MB
– solitamente, è proprietario; è in corso di
sviluppo un “Free BIOS” da parte della FSF
13
15. MS DOS: componenti
• Il sistema MS DOS è composto da tre parti
principali: BIOS, kernel, shell
• kernel: contiene la parte del sistema operativo
indipendente dalla macchina
– memorizzato nel file msdos.sys
– gestione dei processi
– gestione della memoria
– gestione del file system
– smistamento delle chiamate di sistema
15
16. MS DOS: componenti
• Il sistema MS DOS è composto da tre parti
principali: BIOS, kernel, shell
• shell: interfaccia a linea di comando
– memorizzata nel file command.com
– comandi di base (builtin)
• Due parti: residente e non residente
• Residente:
– memorizzata subito dopo msdos.sys
– gestore interruzioni 22H (terminate address),
23H (Ctrl-Break Handler), 24H (Critical Handler)
• Non residente:
– memorizzata al termine della memoria
– prompt, legge/interpreta/esegue i comandi 16
18. MS-DOS: struttura
User
Programmi di applicazione
space
Programmi di sistema residenti
Kernel
Driver dei dispositivi space
MS-DOS
Driver dei dispositivi ROM BIOS
Hardware
18
19. MS DOS:
inizializzazione e configurazione
• Due obiettivi: configurazione device driver e
script di avvio del sistema
– sysinit: programma che avvia il SO
• Primo passo: sysinit carica config.sys
– allocazione buffer cache
– inizializzazione device driver
– impostazione code page
• Secondo passo: sysinit carica command.com
• Terzo passo: command.com legge lo script di
avvio autoexec.bat
19
20. MS DOS: memoria secondaria
• Rappresentazione tramite file e directory
• Gerarchia di directory (albero)
• Formato nomi file: 8.3
– 8 caratteri per il nome, 3 per l'estensione
– case insensitive
• Presenza di una unica “directory di lavoro”
• Redirezione stdin (<) e stdout (>)
20
21. MS DOS: gestione dispositivi
• I dispositivi sono identificati tramite sigle
terminate dal carattere “:”
– COM1,...,COM4: le quattro porte seriali
– CON: la console di lavoro (shell)
– LPT1, ..., LPT3: stampanti
– PRN: identico ad LPT1
– NUL: nessun dispositivo (scarto)
– A: primo floppy (3 ½)
– B: secondo floppy (3½, 5¼)
– C: hard disk
21
22. Struttura stratificata
• Le funzionalità fornite dal SO vengono
suddivise in strati
– ciascun strato implementa le proprie
funzionalità basandosi su quelle definite
negli strati inferiori
– strato 0: strato fisico
– strato n: interfaccia utente
22
23. Struttura stratificata
Uno strato di sistema operativo
Le operazioni dello strato m fanno strato m
uso delle funzionalità definite nello
strato m-1.
strato m-1
fj
23
24. Struttura stratificata
Uno strato di sistema operativo
Lo strato m definisce anche
strato m
operazioni nascoste, non visibili
agli strati superiori. Tali operazioni
sono di supporto.
strato m-1
gk
fj
24
25. Struttura stratificata
Uno strato di sistema operativo
Le funzionalità dello strato m+1
strato m
utilizzano le funzionalità definite
nello strato m. Non sono visibili
le funzioni di supporto.
strato m-1
gk
strato m+1
fj
25
26. Struttura stratificata
• Vantaggi: modularità
– ciascuno strato usa funzionalità dei livelli
inferiori (idealmente, quello direttamente
inferiore)
– il primo strato può essere progettato senza
considerare il resto del sistema
– una volta implementato e corretto il primo
strato, il secondo si appoggia sulle funzioni del
primo
♦ approccio a guscio (shell)
♦ incrementale, più semplice da correggere
– ogni strato nasconde a quelli superiori i dettagli
implementativi
26
27. Struttura stratificata
• Svantaggi:
– come definisco esattamente gli strati?
♦ dove finisce uno e comincia l'altro?
♦ Es.: il sistema di gestione della memoria ha
bisogno dei driver del disco, per poter
implementare lo “swapping”
– driver disco in uno strato più basso
rispetto alla gestione della memoria
– l'efficienza di un sistema stratificato è minore
rispetto ad un sistema a strutttura semplice
♦ aggravio computazionale legato alle di
chiamate funzioni fra strati
27
28. UNIX
utenti User
space
interprete comandi, comandi
compilatori, interpreti
librerie di sistema
Kernel
interfaccia syscall/kernel
scheduling CPU space
segnali file system
gestione terminali avvicendamento sostituzione pagine
sistema I/O caratteri sistema I/O blocchi demand paging
driver terminali driver nastri, dischi memoria virtuale
interfaccia kernel/architettura fisica
controller terminali controller mem.
controller disp.
terminali memoria
nastri, dischi
28
29. UNIX
• Due parti: kernel e programmi di sistema
– KERNEL
♦ interfaccia system call
♦ system call, funzionalità di basso livello
♦ interfaccia architettura fisica
– struttura tendente alla stratificazione
♦ prime versioni di UNIX ancora semplici
♦ oggi UNIX è più stratificato
–approccio progettuale top-down
• Per una “panoramica” di tutti I SO UNIX mai
esistiti:
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/77/U
nix_history-simple.svg 29
30. OS/2
User
space
Applicazione Applicazione Applicazione
Application Program Interface (API) Estensione (API)
sottosistema sottosistema sottosistema
gestione della memoria
Kernel
kernel dispatching dei task
space gestione dei dispositivi
device driver device driver device driver
30
32. Macrokernel
• Detto anche kernel monolitico
• L'intero insieme dei servizi (stratificato o no)
esegue in kernel mode
• L'intero insieme delle applicazioni (stratificato
o no) esegue in user mode
• Vantaggi:
– Esecuzione dei servizi estremamente veloce
• Svantaggi:
– Marcata fragilità (un crash interrompe il
funzionamento della macchina)
– Dimensione del kernel enorme
• Esempi:
– Unix-like kernels, Linux, BSD, AIX 32
33. Macrokernel: moduli
• Per mitigare gli svantaggi, parecchi SO hanno
introdotto il meccanismo dei moduli caricabili
(loadable modules)
– Solo la funzionalità strettamente necessaria del
kernel viene caricata all'avvio
– Le funzionalità superflue possono essere
caricate dinamicamente, successivamente
• Vantaggi:
– La dimensione di base del kernel diminuisce
sensibilmente
– Un crash di un modulo non pregiudica il
funzionamento del sistema
33
34. Microkernel
• Con l'aumentare dei servizi, il kernel dei
sistemi UNIX è cresciuto notevolmente
– problemi enormi di manutenzione del codice
– Alta probabilità di “crash” con brusca
interruzione del funzionamento del SO
• IDEA: concepire la maggior parte dei
servizi come applicazioni
• Fine anni '80: nascita di Mach
– Carnegie Mellon University
– Prima implementazione di microkernel
34
35. Microkernel
• Con l'aumentare dei servizi, il kernel dei
sistemi UNIX è cresciuto notevolmente
– problemi enormi di manutenzione del codice
– Alta probabilità di “crash” con brusca
interruzione del funzionamento del SO
• IDEA: concepire la maggior parte dei servizi
come applicazioni cooperanti tramite scambio
messaggi
• Il kernel implementa il minimo indispensabile
• Fine anni '80: nascita di Mach
– Carnegie Mellon University
– Prima implementazione di microkernel
35
36. Microkernel
• Si rimuove dal kernel tutto ciò che non è
strettamente essenziale
• Tutto ciò che non è strettamente
indispensabile è implementato come
applicativo server (demone) utente
• Cosa rimane nel kernel?
– meccanismo di comunicazione a messaggi
fra le varie componenti del sistema (Inter
Process Comunication, IPC)
– gestione processi
– gestione memoria
36
37. Microkernel
• Vantaggi:
– facilità di estensione del SO
♦ si scrive un nuovo applicativo server
♦ il kernel NON deve essere modificato
– il kernel è ridotto all'osso
♦ modifiche ridotte e localizzate
• Svantaggi:
– meno performante di un kernel monolitico
• Implementazioni:
– Tru64 UNIX (Digital), Mach, MacOS, Minix
37
38. Macrokernel vs. Microkernel
Macrokernel Microkernel
(kernel monolitico)
Applicazione
User
mode
Virtual File System
IPC, File System
Applicazione Unix Device File
IPC server driver server
Scheduler
Memoria virtuale
Kernel IPC di base
Memoria virtuale
mode
Device drivers Scheduler
Hardware
Hardware
38
39. Minix
• Sistema operativo UNIX-like, progettato da
Andrew S. Tanenbaum (1987)
• Oggi siamo alla versione 3 (2005-2008)
• Approccio microkernel:
– 5K linee di codice (Minix v3)
– 2.5M linee di codice (Linux)
– 5M linee di codice (Windows XP)
• Scritto per sistemi Intel a 32 bit (almeno 386)
– Port per PowerPC ed ARM
39
40. Minix: obiettivi
• Affidabilità
– ridurre l'impatto di un crash di sistema
– riattivare automaticamente parti difettose
– sviluppo di nuovi driver “a caldo”
• Prestazioni
– ridurre la perdita di prestazioni rispetto ai kernel
monolitici
• Sviluppo
– modularità
40
41. Minix: design
• Kernel: servizi essenziali per instanziare e far
parlare tra loro componenti distinti
– Gestione interruzioni
– Gestione memoria
– Scambio messaggi (IPC) fra componenti
– Gestione orologio di sistema (clock driver)
– Invocazione servizi messi a disposizione dal
kernel (system task): copia dati kernel<->user,
chiamate I/O dirette alle periferiche
• User: driver periferiche, servizi, applicazioni
– Device driver dischi, audio, rete, stampante
– Gestione file, processi, rete, fault tolerance
– Shell, editor, browser 41
42. Minix: design
User ...
bash vim make lynx Apps
mode
Chiamate di sistema, messaggi
File Process Network Reinc. Data Servizi
server manager server server store
Chiamate di kernel, messaggi
SATA Audio SCSI Printer
... Driver
driver driver driver driver
Chiamate di kernel, messaggi
Clock System
Kernel Kernel
IRQ, MMU, IPC
mode driver task
42
43. Minix: comunicazione fra processi
• Aree di memoria dei processi rigorosamente
separate
• La comunicazione fra processi diverse avviene
tramite scambio di messaggi di lunghezza
fissa
• Lo scambio di messaggi è sincrono:
– Il mittente si blocca se nessuno può ricevere
– Il ricevente si blocca se nessuno può inviare
– Il kernel copia il messaggio dall'area dati
mittente all'area dati ricevente
43
44. Minix: comunicazione processi/kernel
• Avviene tramite chiamate di sistema, effettuate
dai processi ai servizi
• I servizi inviano messaggi ai driver
• I driver effettuano le necessarie chiamate di
kernel
• Il kernel soddisfa la richiesta
• Il risultato si propaga per i livelli superiori
attraverso messaggi di risposta
44
45. Minix: affidabilità
• Ottenuta tramite due servizi:
– Reincarnation server
– Data store
• Reincarnation server:
– Controlla se un componente crasha
– Riavvia il componente, se necessario, in
maniera trasparente alle applicazioni
– Se non lo può riavviare, notifica l'applicazione
– Registra le operazioni andate male
– Non altera il comportamento dei programmi
• Data store:
– Minuscolo database di configurazioni
– Ciascun processo ci scrive quello che vuole 45
47. Hybrid kernel
• Combina gli aspetti positivi dei microkernel e
dei macrokernel
• Tutti i device driver girano in kernel mode
• Per il resto, simile ad un microkernel
• Vantaggi:
– Esecuzione driver più veloce (no messaggi)
– Crash servizi non interrompe la macchina
• Svantaggi:
– È comunque più lento di un macrokernel
– È comunque meno robusto di un microkernel
• Esempi:
– Windows NT, Windows XP, Plan 9
47
48. Macro vs. Micro vs. Hybrid kernel
Macrokernel Microkernel Hybrid kernel
(kernel monolitico)
Applicazione Applicazione Applicazione
VFS Unix File
server server
Appl. Unix Device File
IPC
IPC server driver server
File System
Appl. Device
Scheduler IPC driver
Memoria virtuale
IPC di base IPC di base
Memoria virtuale Memoria virtuale
Device drivers
Scheduler Scheduler
Hardware Hardware
Hardware
User space
48
Kernel space
49. Windows XP
• Sistema operativo Microsoft (2001)
• Successore di Windows 2000
• Fondato sull'architettura di Windows NT
• Diverse versioni:
– Home Edition: Media player, Messenger,
Wireless capabilities, Firewall
– Professional Edition: Home + Remote desktop,
accesso “disconnesso” a file remoti, SMP,
amministrazione gruppi, Win Server Domains
– Professional x64 Edition: Professional +
supporto 64 bit
– Media Center Edition: Home + SMP, televisione
– Tablet Edition: versione per Tablet PC 49
50. Windows XP: aggiornamenti
• La Microsoft rilascia, occasionalmente, un
insieme incrementale di modifiche da applicare
al SO (Service Pack)
• Service Pack 1: settembre 2002
– Random fixes, .NET, Messenger, USB 2.0
• Service Pack 2: agosto 2004
– SP 1 + Security, Wi-Fi criptato (WPA), pop-up
blocker, Bluetooth, Firewall, Security Center
• Service Pack 3: aprile 2008
– SP2 + random fixes
50
51. Windows XP: HAL
• Windows XP è stato progettato per essere
eseguito su (quasi) ogni tipologia di hardware
esistente
• Al posto di riscrivere una versione di XP
differente per ciascuna piattaforma hw, è stato
creato HAL
• HAL: Hardware Abstraction Layer
– Software frapposto tra Windows XP e
l'hardware
– XP non conosce nulla dell'hardware; lascia
gestire il compito ad HAL
– Ciascun utilizzo di hardware viene delegata ad
HAL
51
52. Windows XP: Kernel
• I servizi di HAL sono sfruttati dal Kernel
• Kernel:
– Componenti scritti da Microsoft (servizi)
– Componenti scritti dai produttori di hw (device
driver)
♦ Devono passare dei “test rigorosi”
• Il cuore del kernel è il modulo “Microkernel”
– Molto compatto
– Sistema di IPC per gli Executive Services
52
53. Windows XP: Kernel
• Executive Services: servizi forniti dal kernel
– Analogo dei server di Minix
• Forniscono servizi alle applicazioni
– Disegno della GUI sullo schermo
– Controllo permessi
– Disk I/O
• Sfruttano il servizio di messaggistica del
Microkernel
• Microkernel + Executive Services =
Windows XP kernel
53
54. Windows XP: API
• Windows XP fornisce 2 API:
– Win32 API: permette ai programmatori di
scrivere programmi a 32 bit che girano in User
mode
– Native API: permette ai processi/servizi che
girano in User mode di invocare servizi del
kernel
♦ Utilizzata dalla Win32 API
• Le API di Windows sono memorizzate in
librerie dinamiche
54
55. Windows XP: DLL
• DLL: Dynamic Link Library
• Librerie di funzioni eseguibili/dati che può
essere utilizzata da una applicazione
– Funzioni: user32.dll, kernel32.dll
– Dati: shell32.dll (icone)
• L'applicazione si “collega” alla DLL nel
momento stesso in cui necessita della
funzione
– Non a tempo di compilazione, bensì di
esecuzione
• Solitamente, hanno l'estensione .dll
55
56. Windows XP: DLL
• Le DLL possono essere utilizzate da più
applicazioni simultaneamente
– Condivisione di codice
– CreateWindow() in user32.dll
• Alcune DLL sono installate con Windows XP
ed a disposizione di tutte le applicazioni
– C:windows contiene circa 2000 DLL
– La maggior parte in c:windowssystem32
Altre DLL sono installate con le applicazioni
●
– msp232.dll fornisce funzionalità di spellcheck
per Word, Excel, Power Point
– Installata con Microsoft Office
56
57. Windows XP: DLL
• Esistono quattro DLL principali
• ntdll.dll: Native API (funzioni a livello kernel)
– Utilizzate da Win32 API per interagire con l'hw
• kernel32.dll:
– I/O su file
– gestione dei thread
• user32.dll:
– Gestione delle finestre
– Gestione degli eventi (ad es., mouse click)
• gdi32.dll:
– Funzioni di disegno finestre
57
58. Windows XP: design
Applicazione Applicazione Applicazione
Win32 Win32 Win32
User Win32
space API
Security Virtual
I/O IPC Process P&P Power Window
Reference Memory
Manager manager Manager Manager Manager Manager
Monitor Manager
Kernel Object Manager
space Graphics
Device
File Device Drivers
Microkernel
systems Drivers
Hardware Abstraction Layer
Hardware
58
