Un sistema operativo è un software che gestisce le risorse hardware e fornisce un'interfaccia tra l'utente e il computer. Funge da intermediario tra le applicazioni software e l'hardware del sistema, consentendo loro di comunicare e interagire in modo efficiente. Tra i sistemi operativi più conosciuti ci sono Microsoft Windows, MacOS, Linux, Android, iOS e Chrome OS
Un sistema operativo è un insieme di software che fornisce all'utente una serie di comandi e servizi per usufruire al meglio della potenza di calcolo di un qualsivoglia elaboratore elettronico, spaziando dal più piccolo dei palmari al più potente tra i mainframe. I sistemi operativi nascondono tutti i dettagli tecnici legati allo specifico hardware e architettura rappresentando le informazioni ad un alto livello, meglio comprensibile dall'uomo.
Esso garantisce l'operatività di base di un calcolatore, coordinando e gestendo le risorse hardware di processamento (processore) e memorizzazione (memoria primaria), le periferiche, le risorse/attività software (processi) e facendo da interfaccia con l'utente, senza il quale quindi non sarebbe possibile l'utilizzo del computer stesso e dei programmi/software specifici, come applicazioni o librerie software.
È dunque un componente essenziale del sistema di elaborazione che funge da interfaccia tra l'utente e la macchina ed inoltre è una base alla quale si appoggiano gli altri software, che dunque dovranno essere progettati e realizzati in modo da essere riconosciuti e supportati da quel particolare sistema operativo. Assieme al processore, con cui spesso è strettamente legato, costituisce la cosiddetta piattaforma del sistema di elaborazione. In generale un sistema operativo può essere:
monoutente, se un solo utente per volta può accedere alle risorse dell'elaboratore;
multiutente, se più utenti possono accedere alle risorse dell'elaboratore che a sua volta può essere
seriale, sequenzialmente uno per volta;
parallelo, ciascuno parallelamente agli altri;
monotasking, se in grado di eseguire un solo compito o task (processo) alla volta:
multitasking o multithreading, se in grado di svolgere più compiti o sottocompiti parallelamente attraverso una certa politica di scheduling (es. timesharing).
Secondo una definizione più rigorosa, il sistema operativo è un insieme di funzioni e strutture dati responsabile:
del controllo e della gestione delle risorse di sistema (CPU e Memoria primaria) e delle componenti hardware che costituiscono il computer (processi di Input/Output da e verso le periferiche collegate al sistema)
dell'esecuzione dei programmi (definiti entità passive) dai quali si ricavano i processi (detti entità attive), che vengono eseguiti, assegnandogli le necessarie risorse per l'avanzamento dei processi stessi.
Se il sistema di elaborazione prevede la possibilità di memorizzazione aggiuntiva dei dati su memoria di massa, come accade nei computer general purpose, esso ha anche il compito di:
gestire l'archiviazione e l'accesso ai file. I programmi possono gestire l'archiviazione dei dati su memoria di massa (ottenendo strutture complesse, come una base di dati), servendosi delle procedure messe a disposizione del sistema operativo. La componente del SO che si occupa di tutto ciò viene chiamata file system.
Infine, se è prevista interazione con l'utente, viene solitamente utilizzata allo scopo un'interfaccia software (grafica o testuale) per accedere alle risorse hardware (dischi, memoria, I/O in generale) del sistema. D'altra parte, un sistema operativo può essere utilizzato anche su una macchina che non preveda interazione diretta con un essere umano (per un esempio, vedi smart card o determinati sistemi embedded) spesso dunque più leggero e semplificato. Solitamente un sistema operativo installato su computer fornisce anche degli applicativi di base per svolgere elaborazioni di diverso tipo.
Sebbene molte delle funzionalità sopraddette non siano spesso immediatamente visibili/percepibili dall'utente, l'importanza del sistema operativo di un calcolatore è cruciale: oltre alla necessità di gestione delle funzionalità di base sopraddette, al di là delle prestazioni massime offerte dall'hardware dell' elaboratore stesso, il sistema operativo determina di fatto efficienza e buona parte delle prestazioni effettive di funzionamento dell'intero sistema ad esempio in termini di latenze di processamento, stabilità, interruzioni o crash di sistema.
Un generico sistema operativo moderno si compone di alcune parti standard, più o meno ben definite.
Un kernel è un gruppo di funzioni fondamentali, strettamente interconnesse fra loro e con l'hardware, che vengono eseguite con il privilegio massimo disponibile sulla macchina: la modalità kernel designa proprio questo tipo di interazione; un kernel non è altro che un software che ha il compito di fornire ai moduli che compongono il sistema operativo e ai programmi in esecuzione sul computer le funzioni fondamentali ed un accesso controllato all'hardware, sollevandoli dai dettagli della sua gestione;esso fornisce dunque le funzionalità di base per tutte le altre componenti del sistema operativo, che assolvono le loro funzioni servendosi dei servizi che esso offre ed è dunque il motore o core di un sistema operativo.
A seconda del tipo di sistema operativo il kernel può inglobare altre parti (kernel classico, monolitico o modulare) o fornire solo funzioni base delegando più funzioni possibile a oggetti/gestori esterni (microkernel). Un kernel tradizionale, ovvero monolitico e altri, integra invece dentro di sé la gestione della memoria virtuale, la cpu, lo scheduler e i gestori di file system, nonché i driver necessari per il controllo di tutte le periferiche collegate.
Quali funzioni sia opportuno che il kernel debba fornire e quali possano essere demandate a moduli esterni è oggetto di opinioni divergenti: se il kernel di un sistema operativo implementa soltanto un numero molto ristretto di funzioni, delegando il resto ad altre parti esterne dette server o moduli in comunicazione con il kernel stesso, si parla di microkernel. Il vantaggio di un siffatto sistema operativo è la maggiore semplicità del suo kernel, del suo sviluppo, la possibilità di cambiare facilmente i moduli e una certa tolleranza ai guasti in quanto se un modulo "crolla" (crash), solo la funzionalità del modulo s'interrompe, ed il sistema rimane funzionale e gestibile dall'amministratore (che può ad esempio ripristinare la funzionalità del modulo stesso); lo svantaggio è invece l'interazione più complessa e costosa fra kernel e le altre componenti del SO stesso, che spesso rallenta il sistema e/o lo rende meno stabile.
Questo tipo di kernel è più complesso da progettare, mantenere ed aggiornare, ma è anche più veloce, efficiente e stabile. Una sua evoluzione è costituita dai kernel "modulari", che mantengono al loro interno lo scheduler e i gestori di file system e memoria virtuale ma separano alcune funzioni non essenziali in moduli a sé stanti, da caricare in memoria solo in caso di effettivo uso della funzione o periferica di loro competenza.
Lo scheduler è il componente fondamentale dei sistemi operativi multitasking, cioè quelli in grado di eseguire più processi contemporaneamente (va inteso simbolicamente. In realtà non c'è una gestione parallela dei processi ma avviene in sequenza, i tempi sono talmente brevi che all'utente sembrerà che i programmi vadano contemporaneamente). Lo scheduler si occupa di fare avanzare un processo interrompendone temporaneamente un altro, realizzando così un cambiamento di contesto (context switch). Generalmente computer con un processore sono in grado di eseguire un programma per volta, quindi per poter far convivere più task è necessario usare lo scheduler. Esistono vari algoritmi di scheduling che permettono di scegliere nella maniera più efficiente possibile quale processo far proseguire. I migliori scheduler hanno di complessità O.
I processi non hanno continuamente bisogno della CPU: a volte, anziché far eseguire istruzioni alla CPU, si mettono in attesa che arrivino dei dati da un file, o che l'utente prema un tasto della tastiera. Quindi si può, in linea di principio, usare questi tempi "morti" (di attesa) per far eseguire un altro programma. Quest'idea, sorta fin dai primi anni cinquanta, si concretizzò nei sistemi operativi multitasking, cioè dotati di uno scheduler che manda in esecuzione più processi (esecuzione di programmi), assegnando a turno la CPU ad ognuno e sospendendo l'esecuzione dei processi in attesa di un evento esterno (lettura/scrittura sulle memorie di massa, stampa, input utente ecc.) finché questo non si verifica. Dovendo ospitare in memoria centrale più processi nello stesso tempo, i sistemi multitask hanno bisogno di più memoria rispetto a quelli monotask: perciò questo tipo di sistemi operativi è quasi sempre dotato di un gestore di memoria virtuale. Inoltre, con più processi simultaneamente attivi, il controllo delle risorse hardware diventa una reale necessità e non è più possibile farne a meno. Esistono sostanzialmente due modi di implementare il multitasking: cooperative e preemptive multitasking.
Nel primo sono i processi che, spontaneamente, cedono il controllo al sistema non appena hanno terminato la singola operazione in corso; nel secondo è lo scheduler che ferma i processi allo scadere del tempo assegnato e trasferisce il controllo dall'uno all'altro:
il cooperative multitasking assorbe meno risorse di calcolo e non ha quasi ritardo di commutazione per il cambio di task, e inoltre non richiede nessuna struttura hardware dedicata, il che rende possibile implementarlo su qualunque calcolatore; per contro è molto vulnerabile a errori nei programmi (in genere il crash di un processo fa cadere l'intero sistema) e l'isolamento fra processi è molto debole. È il modello usato dai vecchi sistemi.
il preemptive multitasking necessita di CPU che implementino in hardware sia dei livelli di privilegio per l'esecuzione del codice, sia una logica specifica per il context switch, il cambio di task eseguito dallo scheduler. Poiché l'interruzione dei processi è arbitraria, al cambio di task il sistema operativo è costretto a salvare tutti o quasi i registri della CPU e ricaricarli con quelli salvati dal task che subentra, perdendo molto tempo. A fronte di queste maggiori richieste, il preemptive multitasking offre una sicurezza del sistema maggiore e una virtuale immunità ai crash di sistema causati da errori nei programmi. È il modello usato dai moderni sistemi operativi.
Lo scheduler scandisce dunque il tempo di esecuzione dei vari processi e assicura che ciascuno di essi venga eseguito per il tempo richiesto. Normalmente lo scheduler gestisce anche lo stato dei processi e può sospenderne l'esecuzione nel caso questi siano in attesa senza fare nulla, assegnando le risorse inutilizzate ad altri processi che le necessitano (esempio classico è la richiesta di dati da disco). Nei sistemi operativi realtime lo scheduler si occupa anche di garantire una timeline, cioè un tempo massimo di completamento per ciascun task in esecuzione, ed è notevolmente più complesso.
La gestione dell'input/output ovvero delle periferiche di sistema è attuata attraverso il meccanismo dell'interrupt da parte delle periferiche stesse che chiamano in causa il sistema operativo il quale opererà un cambiamento di contesto (context switch) all'interno del ciclo del processore assegnando al processore il compito di input/output richiesto. Un'altra modalità tipica di gestione delle periferiche, alternativa agli interrupt, è il polling.
Il gestore di memoria è la componente del sistema operativo che si occupa di gestire ed assegnare la memoria primaria ai processi che ne fanno richiesta immediatamente prima dell'elaborazione. La gestione della memoria è necessaria anche per tenere traccia di quanta memoria è impegnata e di quanta invece è disponibile per soddisfare nuove richieste: in mancanza di un sistema di gestione, si avrebbe prima o poi il caso nefasto di processi che ne sovrascrivono altri, con gli ovvi inconvenienti. Esso è eseguito dal MMU (Memory Management Unit) che alloca la memoria primaria richiesta dai programmi e dal sistema operativo stesso, salva sulla memoria di massa le zone di memoria temporaneamente non usate dai programmi (memoria virtuale) e garantisce che le pagine swappate vengano riportate in memoria se richieste.
Un altro buon motivo per registrare la memoria usata dai vari processi è il fatto che, in caso di errori gravi, i processi possono andare in crash e non essere più in grado di comunicare al sistema che la memoria che occupano può essere liberata: in questo caso è compito del gestore di memoria, dopo la terminazione anomala del processo, marcare come libere le zone di memoria possedute dal processo "defunto", rendendole disponibili per nuove allocazioni.
Per poter gestire i programmi, divenuti processi, è necessario che tutti gli indirizzi definiti in essi siano calcolati in forma relativa alla prima istruzione del programma (come se il programma dovesse essere caricato a partire dall'indirizzo 0 di memoria centrale). Al momento del caricamento, che può essere eseguito in qualsiasi zona libera della memoria, gli indirizzi relativi verranno sommati al primo indirizzo di effettivo caricamento, diventando così assoluti: INDIRIZZO ASSOLUTO = INDIRIZZO RELATIVO + INDIRIZZO DI PARTENZA. Una modalità/meccanismo tipico di gestione/assegnazione della memoria ai programmi/processi da parte del sistema operativo è il paging.
Nel caso il sistema disponga di un meccanismo di memoria virtuale, il gestore della memoria si occupa anche di mappare (indirizzare) la memoria virtuale offerta ai programmi sulla memoria fisica e sui dischi rigidi del sistema, copiando da memoria a disco rigido e viceversa le parti di memoria necessarie di volta in volta ai programmi, senza che i programmi stessi o gli utenti debbano preoccuparsi di nulla.
La memoria primaria contiene un vettore di migliaia di miliardi di byte ciascuno dei quali allocato tramite un indirizzo mentre le memoria cache seppur guidate da algoritmi logici sono normalmente gestite dall'hardware.
La protezione della memoria è un sistema per prevenire la corruzione della memoria di un processo da parte di un altro. Di solito è gestito via hardware ad esempio con una MMU, (Memory management unit) e dal sistema operativo per allocare spazi di memoria distinti a processi differenti.
Un computer diventa infatti molto più utile ed efficace se dotato di una memoria di massa: per gestirla serve un gestore di file system, cioè un software che in sintesi è composto da un insieme di funzioni che permetta di organizzare e gestire (accesso o lettura, scrittura o memorizzazione, ordinamento) i dati sulla superficie dei mezzi di memorizzazione secondo una struttura ben precisa. I sistemi operativi che risiedevano su disco e capaci di gestire un file system sono detti genericamente Disk Operating System, per l'appunto, DOS. L'esemplare più famoso è senz'altro l'MS-DOS di Microsoft, oggi sostituito dall' interfaccia grafica Windows, ma che era alla base dei sistemi operativi Windows 95/98/Me. Ne esiste anche una versione libera compatibile con i suoi programmi, il FreeDOS, ed altre versioni come il DR-DOS.
Il file system si occupa dunque di esaudire le richieste di accesso alle memorie di massa. Viene utilizzato ogni volta che si accede a un file sul disco, e oltre a fornire i dati richiesti tiene traccia dei file aperti, dei permessi di accesso ai file. Inoltre si occupa anche e soprattutto dell'astrazione logica dei dati memorizzati sul computer (directory, ecc).
A seconda dei casi, un particolare sistema operativo può avere tutti questi componenti o solo alcuni. Un'ulteriore differenza fra i sistemi operativi è data dal tipo di comunicazione fra i vari componenti: i sistemi operativi classici sono basati su chiamate dirette di funzioni, mentre molti sistemi operativi moderni, soprattutto quelli che adottano microkernel, si basano sul message passing, sullo scambio di messaggi fra le loro varie parti e fra il sistema operativo e i programmi che fa girare.
Il secondo passo verso una migliore gestione del computer si ha con lo sviluppo di un'interfaccia utente separata dal kernel, un interprete di comandi che funzioni anche da interfaccia utente ovvero da Shell. Questa shell primitiva di solito funge anche da interprete per un linguaggio di programmazione: a seconda delle scelte dei progettisti del software può essere un vero linguaggio oppure un più semplice linguaggio di scripting con cui creare comandi batch. Era il tipico sistema operativo degli home computer degli anni 80, come il Commodore 64 e il Sinclair ZX Spectrum. L'interfaccia utente permette dunque all' utente di interagire con il computer. Esistono sostanzialmente due famiglie di interfacce utente: interfaccia a riga di comando e interfacce grafiche che forniscono, ad esempio, una scrivania (o desktop).
Lo spooler di stampa è stato storicamente il primo modulo esterno del sistema operativo ad essere implementato, per risolvere il problema della gestione delle stampe su carta. Infatti, essendo le stampanti elettromeccaniche dei dispositivi molto lenti, i primi programmi per elaboratore dovevano necessariamente sprecare molto tempo di CPU, estremamente prezioso all'epoca, per controllare la stampante ed inviarle i dati. Riceve dunque dai programmi i dati da stampare e li stampa in successione, permettendo ai programmi di proseguire senza dover attendere la fine del processo di stampa.
Quindi venne ideato un programma separato, che girava con una priorità molto bassa e che era visto dagli altri programmi come una normale stampante: in realtà invece lo spooler accumulava i dati che un programma doveva stampare in un'apposita area di memoria RAM, e poi si faceva carico del processo di stampa vero e proprio lasciando gli altri programmi liberi di continuare la loro esecuzione.
Il meccanismo fondamentale dello spooler di stampa è rimasto sostanzialmente invariato dai suoi albori fino ad oggi: con gli anni e con il progredire della tecnologia le modifiche più rilevanti sono state la capacità di gestire più stampanti selezionabili a piacere, e la capacità di gestire anche stampanti remote, collegate cioè non direttamente al computer su cui gira lo spooler ma ad altri elaboratori connessi via rete.
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