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SISTEMI OPERATIVI M - Z

Anno accademico 2018/2019 - 2° anno
Docente: Mario DI RAIMONDO
Crediti: 9
Organizzazione didattica: 225 ore d'impegno totale, 153 di studio individuale, 36 di lezione frontale, 36 di esercitazione
Semestre:

Obiettivi formativi

  • Conoscenza e capacità di comprensione (knowledge and understanding): lo studente sarà in grado di comprendere problematiche quali l’organizzazione di un sistema di calcolo moderno, la gestione delle risorse di un sistema di calcolo (memoria, CPU, dispositivi esterni), e la gestione e la sincronizzazione dei processi e dei thread in un sistema multiprogrammato e a condivisione del tempo. Tramite lo studio del kernel del sistema operativo Linux lo studente avrà una conoscenza pratica delle più moderne tecniche nel campo dei sistemi operativi.
  • Capacità di applicare conoscenza e comprensione (applying knowledge and understanding): lo studente sarà in grado di utilizzare le metodologie apprese per analizzare le prestazioni di un sistema operativo in un particolare contesto applicativo; saprà formulare alternative o proporre soluzioni originali a problemi legati al funzionamento dei sistemi di calcolo complessi; saprà porre e sostenere argomentazioni nell’ambito dei sistemi operativi, evidenziando vantaggi e svantaggi di particolari soluzioni implementative; infine, grazie alle conoscenze acquisite nella parte di laboratorio, potrà operare attivamente su un sistema operativo UNIX-like attraverso la shell di comando e, dal punto di vista della programmazione, attraverso le chiamate di sistema POSIX.
  • Autonomia di giudizio (making judgements): lo studente sarà in grado di seguire i trend moderni nell’ambito della progettazione di sistemi operativi; sarà in grado di raccogliere i dati necessari alla valutazione delle prestazioni di un particolare sistema operativo, e di interpretare i risultati della valutazione; infine, sarà in grado di elaborare i requisiti necessari alla progettazione di un nuovo sistema operativo, e di valutare l’efficacia di diverse soluzioni alternative.
  • Abilità comunicative (communication skills): lo studente acquisirà la capacità di comunicare ed esprimere problematiche inerenti l’oggetto del corso; sarà in grado di sostenere conversazioni su tematiche relative ai moderni sistemi operativi, di confrontare diversi sistemi operativi, e di offrire possibili soluzioni.
  • Capacità di apprendimento (learning skills): lo studente avrà appreso le interazioni tra le tematiche dei sistemi operativi, della progettazione software, e dell’importanza di adeguati supporti hardware e questo gli consentirà di proseguire gli studi universitari con un elevato grado di autonomia.

Modalità di svolgimento dell'insegnamento

Lezioni frontali in aula su argomenti di teoria e su sviluppo codice per la parte di laboratorio.


Prerequisiti richiesti

requisiti: basi di programmazione, conoscenza dell'architettura di un calcolatore
propedeuticità: Architettura degli Elaboratori, Programmazione 1


Frequenza lezioni

Frequenza delle lezioni non obbligatoria ma fortemente consigliata.


Contenuti del corso

Il corso è una introduzione ai principi ed al progetto di sistemi operativi, essenziali per coordinare le attività e le risorse di un sistema di calcolo. Sono affrontati i principali temi dalle architetture software alla gestione dei processi e delle risorse del sistema. Con riferimento ai sistemi UNIX, nella parte di laboratorio si affronta l'uso della shell e la programmazione in linguaggio C degli aspetti cruciali legati ai processi, alla memoria e all'inter-process communication (IPC).


Testi di riferimento

autori: Andrew S. Tanenbaum, Herbert Bos
titolo: I moderni sistemi operativi (quarta edizione)
casa editrice: Pearson
anno di pubblicazione: 2016
ISBN: 9788891901019

autori: Abraham Silberschatz, Peter Baer Galvin, Greg Gagne
titolo: Sistemi operativi – Concetti ed esempi (nona edizione)
casa editrice: Pearson
anno di pubblicazione: 2014
ISBN: 9788865183717



Programmazione del corso

 ArgomentiRiferimenti testi
1Teoria: 
2Introduzione al concetto di sistema operativo 
3Richiami sull'architettura degli elaboratori 
4Struttura di un sistema operativo 
5I processi: definizione, multiprogrammazione, stati e transizioni 
6I thread: definizione, modelli utilizzabili; programmazione multicore 
7Sezioni critiche e mutua esclusione: variabili di lock, alternanza stretta, soluzione di Peterson, istruzioni TSL/XCHG, semafori, mutex lock in spazio utente, futex, monitor, messaggi tra processi 
8Problema dei 5 filosofi e dei lettori-scrittori (soluzioni basate su semafori e monitor) 
9Scheduling: scheduler e dispatcher 
10Algoritmi di scheduling: progettazione, FCFS, SJF, SRTN, RR, a priorità, con code multiple, SPN, garantito, a lotteria, fair-share 
11Scheduling dei thread e su sistemi multi-processore 
12Scheduling su Windows 8 e Linux (task, O(1) e CFS) 
13Gestione della memoria per la multi-programmazione: swapping, rilocazione, gestione dello spazio libero 
14Memoria virtuale: paginazione, tabella delle pagine, uso di memoria associativa, varianti multi-livello, tabella delle pagine invertita, conseguenze sulla cache 
15Algoritmi di sostituzione delle pagine: progettazione, ottimale, NRU, FIFO, seconda chance, clock, LRU, NFU, aging; anomalia di Belady 
16Altri aspetti legati alla gestione della memoria: allocazione dei frame, working set, controllo del carico, dimensione delle pagine, condivisione delle pagine, copy-on-write, zero-fill-on-demand, librerie condivise, mappatura di file, allocazione della memoria del kernel 
17Segmentazione 
18Gestione della memoria su Linux 
19File-system: astrazione, file, directory 
20Progettazione di un file-system: allocazione dei file (contigua, concatenata, tabellare e indicizzata), directory, hard/soft-link, gestione blocchi liberi (con bitmap e con lista concatenata) 
21Altri aspetti tecnici sui file-system: quote, controlli di consistenza, Log-structured FS (LFS), journaling, cache del disco, deframmentazione 
22Accenni sui file-system storici e contemporanei: FAT-[12,16,32,64], NTFS, ext-[2,3,4], BTRFS 
23Scheduling del disco e relativi algoritmi: FCFS, SSTF, SCAN, C-SCAN, LOOK, C-LOOK 
24Sistemi RAID: principi di base, RAID-[0,1,2,3,4,5] 
25Memorie flash, dischi a stato solido (SSD) e implicazioni sui file system 
26Laboratorio: 
27Tutorial sull'uso della shell UNIX 
28L'uso delle chiamate di sistema 
29Gestione dell'I/O su file e chiamate di servizio relative al file-system e alla mappatura dei file in memoria 
30Gestione dei processi: creazione, coordinamento, esecuzione di comandi esterni 
31Chiamate per la comunicazione tra processi tramite pipe e FIFO 
32Chiamate per la comunicazione tra processi tramite messaggi 
33Chiamate per la gestione della memoria condivisa tra i processi 
34Chiamate per la gestione dei semafori 
35Segnali sui sistemi UNIX 

Verifica dell'apprendimento

Modalità di verifica dell'apprendimento

L'esame prevede:

  • una prova scritta di teoria: si tratta di un questionario, con risposte a scelta multipla e/o aperte, su argomenti relativi alla teoria;
  • una prova pratica di laboratorio: si tratta di una sessione di laboratorio in cui lo studente dovrà scrivere un programma in linguaggio C che risolva un problema proposto facendo uso dei costrutti e delle chiamate di sistema UNIX viste a lezione; si lavorerà in un ambiente ad-hoc in cui sarà possibile consultare solo la documentazione di sistema e le proiezioni viste a lezione;
  • un colloquio orale obbligatorio su tutto il programma (teoria e laboratorio).

Verificare tutti i dettagli sulla modalità di prenotazione sul sito del corso.


Esempi di domande e/o esercizi frequenti

Sulla pagina del corso sono disponibili:

  • un fac-simile della prova scritta (vedi la sezione FAQ);
  • una serie di esercizi di laboratorio che gli studenti sono invitati a svolgere durante il corso;
  • tutte le prove di laboratorio, alcune con soluzione, svolte fino ad oggi.