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SISTEMI OPERATIVI M - Z

Anno accademico 2021/2022 - 2° anno - Curriculum Elaborazione Dati e Applicazioni e Curriculum Sistemi e Applicazioni
Docente: Mario Francesco PAVONE
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. Il corso può prevedere dei seminari tenuti da esperti esterni su argomenti correlati e d'attualità.

Qualora l'insegnamento venisse impartito in modalità mista o a distanza potranno essere introdotte le necessarie variazioni rispetto a quanto dichiarato in precedenza, al fine di rispettare il programma previsto e riportato nel syllabus.


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 per garantire un idoneo grado di comprensione degli argomenti proposti.


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 operativocap.1 di [TB], cap.1 di [SGG]  
3Richiami sull'architettura degli elaboratoricap.1 di [TB], cap.1 di [SGG]  
4Struttura di un sistema operativocap.1 di [TB], cap.2 di [SGG]  
5I processi: definizione, multiprogrammazione, stati e transizionicap.2 di [TB], cap.3,4 di [SGG] 
6I thread: definizione, modelli utilizzabili; programmazione multicorecap.2 di [TB], cap.4 di [SGG]  
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 processicap.2 di [TB], cap.6 di [SGG] 
8Problema dei 5 filosofi e dei lettori-scrittori (soluzioni basate su semafori e monitor)cap.2 di [TB], cap.6 di [SGG]  
9Scheduling: scheduler e dispatchercap.2 di [TB], cap.5 di [SGG] 
10Algoritmi di scheduling: progettazione, FCFS, SJF, SRTN, RR, a priorità, con code multiple, SPN, garantito, a lotteria, fair-sharecap.2 di [TB], cap.5 di [SGG]  
11Scheduling dei thread e su sistemi multi-processorecap.2 di [TB], cap.5 di [SGG]  
12Gestione della memoria per la multi-programmazione: swapping, rilocazione, gestione dello spazio liberocap.3 di [TB], cap.8 di [SGG] 
13Memoria virtuale: paginazione, tabella delle pagine, uso di memoria associativa, varianti multi-livello, tabella delle pagine invertita, conseguenze sulla cachecap.3 di [TB], cap.8 di [SGG]  
14Algoritmi di sostituzione delle pagine: progettazione, ottimale, NRU, FIFO, seconda chance, clock, LRU, NFU, aging; anomalia di Beladycap.3 di [TB], cap.9 di [SGG]  
15Altri 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 kernelcap.3 di [TB], cap.9 di [SGG] 
16File-system: astrazione, file, directorycap.4 di [TB], cap.10 di [SGG]  
17Progettazione 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)cap.4 di [TB], cap.11 di [SGG]  
18Altri aspetti tecnici sui file-system: quote, controlli di consistenza, Log-structured FS (LFS), journaling, cache del disco, deframmentazionecap.4 di [TB], cap.11 di [SGG] 
19Accenni sui file-system storici e contemporanei: FAT-[12,16,32,64], NTFS, ext-[2,3,4], BTRFScap.4,10,11 di [TB], cap.21,22 di [SGG]  
20Scheduling del disco e relativi algoritmi: FCFS, SSTF, SCAN, C-SCAN, LOOK, C-LOOKcap.5 di [TB], cap.12 di [SGG]  
21Sistemi RAID: principi di base, RAID-[0,1,2,3,4,5]cap.5 di [TB], cap.12 di [SGG] 
22Memorie flash, dischi a stato solido (SSD) e implicazioni sui file systemrisorse esterne  
23Laboratorio:risorse esterne, man page  
24Tutorial sull'uso della shell UNIX 
25L'uso delle chiamate di sistema 
26Gestione dell'I/O su file e chiamate di servizio relative al file-system e alla mappatura dei file in memoria 
27Gestione dei processi: creazione, coordinamento, esecuzione di comandi esterni 
28Chiamate per la comunicazione tra processi tramite pipe e FIFO 
29Chiamate per la comunicazione tra processi tramite messaggi 
30Chiamate per la gestione della memoria condivisa tra i processi 
31Chiamate per la gestione dei semafori 
32Segnali sui sistemi UNIX 

Verifica dell'apprendimento

Modalità di verifica dell'apprendimento

L'esame è composto da due prove da superare in ordine, eventualmente su appelli diversi:

  • prova di teoria: prevede, nell'ambito di un unico appello, una prova scritta (questionario con risposte a scelta multipla e/o aperte) seguita da un colloquio orale sulla parte di teoria del programma;
  • prova pratica di laboratorio: superata la teoria, prevede una sessione in 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.

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

La verifica dell’apprendimento potrà essere effettuata anche per via telematica, qualora le condizioni lo dovessero richiedere.

Nota: la verifica dell’apprendimento potrà essere effettuata anche per via telematica, qualora le condizioni lo dovessero richiedere.


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.