Il sistema operativo e' l'insieme dei programmi che gestiscono la macchina.

La parte principale si chiama kernel, ci sono poi i daemon, programmi che non fanno realmente parte del kernel, ma che offrono servizi per il funzionamento della macchina, come servizi di rete, riconoscimento degli utenti, gestione messaggi etc. I driver sono quelle parti del sistema operativo che pilotano le periferiche; come la scheda video, la scheda audio, la scheda di rete o la stampante. In genere fanno parte del kernel, ma possono anche essere programmi esterni o moduli, cioe' componenti del kernel, compilate e tenuti a parte, i moduli sono inseriti nel kernel quando servono, in modo automatico, senza dover riavviare la macchina.

Si parla di kernel monolitici, per indicare quei kernel che sono fatti da un grande unico programma, e di microkernel, per indicare kernel piccoli e maneggevoli, che fanno poche cose e sono affiancati da programmi separati che fanno il resto.

Con alcune centinaia di milioni di computer in giro diventa difficile capire quali sono i sistemi operativi piu' usati, vengono fatte stime in base alle vendite di hardware, o ci sono sistemi automatici che cercano di contare i server in rete ( vedi ad es.: news.netcraft.com oppure: www.leb.net/hzo/ioscount/ od: www.isc.org ).

Ad ogni modo i sistemi operativi piu' in uso sono:

• Unix : per server aziendali e centri di calcolo; ogni casa costruttrice ha la sua versione di Unix, ma le varie versioni sono abbastanza simili; su macchine IBM troviamo AIX, su SUN il sistema Solaris. Questi sistemi hanno quote di mercato in calo, forse attorno al 20% del mercato dei servers e sono rimpiazzati da Windows o Linux. Ci sono anche versioni di unix distribuite gratuitamente, come Unix BSD, NetBSQ, openBSD, derivati dall'Unix che si usava liberamente all' universita' di Berkeley, in genere usate per i server.
• Linux : e' un Unix riscritto da capo, ma e' poi simile agli Unix proprietari, ha piu' del 20% del mercato dei server, un crescente numero di appassionati lo usa anche per i PC desktop. E' diffuso in ambiente accademico o di ricerca. Linux e' un kernel monolitico, ma modulare.
• Le versioni di Windows per i server: Windows NT, XP Professional, 2000, Windows server 2003. Queste versioni di Windows sono utilizzate sui server o in ambiente professionale, hanno un mercato in crescita, forse attorno al 40%.
• Le versioni di Windows per i desktop: Windows XP home, Me, 98, 95. Queste hanno praticamente il monopolio del mercato dei desktop, con quote oltre l'80%.
• Mac OS X : il sistema operativo dei Macintosh, e' un misto fra l' Unix BSD ed un microkernel (Next) sviluppato dall'universita' Carnegie Mellon di Pittsburgh, il tutto integrato da un sistema grafico molto efficiente (Aqua). Corre solo sui Mac ed ha una quota di mercato attorno al 5%. Deriva dal sistema NextSTEP, sviluppato da Steve Jobs, quando non era alla Apple. Molte applicazioni Unix o Linux possono correre anche su Mac OS-X; a parte l'interfaccia grafica non e' poi cosi' distante da Unix.

Le principali funzioni svolte dal sistema operativo sono:

• Gestire i processi: ogni programma in esecuzione nel computer rappresenta un processo.
  Il sistema operativo mantiene tutta una serie di tabelle che descrivono i processi, la memoria che utilizzano, i files che hanno aperto, il tempo di CPU utilizzato etc.
  i Contemporaneamente sono attivi molti processi che si alternano nell'uso della CPU, secondo la loro priorita'; il sistema gestisce le code ed i tempi per accesso alla CPU (scheduling). In Unix possono essere contemporaneamente presenti molti utenti, ognuno con i suoi processi, ci sono poi i processi di sistema, che svolgono funzioni per il sistema operativo, ed i processi che offrono servizi.
  I processi possono avere "sotto processi" indipendenti, che condividono la memoria virtuale e sono chiamati threads.
• Gestire la memoria: ogni processo ha una sua memoria virtuale (un suo spazio di indirizzi), questo deve essere fatto corrispondere alla memoria fisica del computer: la memoria virtuale e' divisa in pagine e le pagine spostate fra disco e RAM quando serve. Tabelle delle pagine (page table) sono usate per tener traccia della posizione delle pagine. Quando la memoria e' piena le pagine in eccesso sono parcheggiate in una zona del disco (in un "page file" o in una partizione apposita).
• Gestire le periferiche: un processo che ha bisogno di accedere ad una periferica manda un interrupt (interrupt software) e si mette in attesa, la CPU passa il controllo al kernel, che provvede all'I/O per conto del processo, usando il device drivers adatto; poi fa ripartire il processo, o un altro se lo scheduling lo prevede.
  Analogamente una periferica che ha finito il suo lavoro ed ha bisogno della CPU ad esempio deve comunicare che l'utente ha battuto un tasto, o un pacchetto e' arrivato alla scheda di rete etc., manda un interrupt (interrupt hardware) alla CPU, usando appositi circuiti elettrici, la CPU interrompe il processo in corso e passa il controllo al sistema operativo, che tramite device driver della periferica, tratta i dati letti dalla periferica e fa quanto necessario. Il sistema operativo riprende poi a far correre i processi secondo l'algoritmo di scheduling.

  Ogni periferica ha un suo numero di interrupt, che una volta corrispondeva ad una "linea elettrica" del bus, e si predisponeva via hardware, sistemando appositi contatti sulle schede, stando ben attenti a non dare lo stesso numero a piu' periferiche. Oggi la gestione degli interrupt e' automatizzata e conflitti fra le periferiche sono relativamente rari.

  In ogni modo la CPU e' interrotta periodicamente, in modo che il sistema operativo possa controllare le code dei processi, questo avviene fra 10 e 100 volte al secondo.

Il sistema operativo viene caricato in memoria all'accensione della macchina, in genere occupa una zona fissa della memoria e lavora con gli indirizzi di memoria reale e non virtuale.

Alla partenza della macchina il BIOS, un piccolo programma residente in una memoria flash della scheda madre, effettua una serie di test per controllare RAM, video, tastiera, (POST: power on system test)e quindi cerca un programma da caricare in memoria e far partire che, a seconda delle opzioni impostate, puo' essere all'inizio dell'hard-disk, su un floppy, un CD, una memoria usb rimovibile.

Questo programma si chiama boot loader ed ha la funzione di caricare il sistema operativo vero e proprio. Questo programma puo' anche permettere la scelta del kernel o del sistema operativo da caricare, se sul computer ce ne e' piu' di uno.

Il sistema operativo appena caricato inizializza le sue tabelle interne e quindi fa partire i processi che lo aiutano nella gestione del sistema e quindi eventuali servizi presenti sul computer.

Il sistema operativo continua poi a correre sulla macchina, gestendo i processi, gli interrupts etc etc.

Nel computer i dati ed i programmi risiedono sui dischi.

I dischi possono essere divisi in partizioni, che sono parti indipendenti, viste dal sistema operativo come dischi distinti.

In molti sistemi, fra cui MS-DOS, Windows e Linux, il primo blocco di 512 bytes in un disco contiene la "partition table", una tabella che specifica le partizioni del disco. Questo blocco si chiama "master boot record" (MBR), poiche' contiene anche un piccolo programma per il caricamento del sistema operativo.

Il primo blocco di ogni partizione si chiama "Master Block", ed anche qui puo' stare un programmino per il boot del sistema.

Si possono avere fino a 4 partizioni primarie, non c'e' spazio per le specifiche di piu' di 4 partizioni nel MBR.
Una partizione primaria puo' tuttavia contenere una partizione estesa, e questa puo' contenere piu' partizioni logiche. Le informazioni sulle partizioni logiche non sono nell'MBR, ma all'inizio delle stesse partizioni logiche.

Si possono quindi avere molte partizioni sul disco, ed esistono anche sistemi per vedere piu' dischi come fossero uno solo. I sistemi Raid, utilizzati nei server, permettono di utilizzare piu' dischi insieme, distribuendo i files fra i dischi in modo che in caso di rottura di un disco i dati non vengano persi.

I dati, nelle partizioni, sono organizzati secondo una struttura detta "file system", un insieme di dati identificato da un nome e' detto "file".

Tutto nel computer e' quindi organizzato in files; un file puo' contenere qualunque cosa, dati, programmi, immagini, musica, od essere un archivio compresso che contiene altri files, il files e' trattato dal sistema in modo indipendente dal suo contenuto.

Nei sistemi Unix anche i drivers delle periferiche, le pipe ed i socket (sistemi di comunicazione fra processi) sono visti come file del filesystem.

Ogni file system ha un suo modo di organizzare le informazioni, in genere lo spazio su disco e' diviso in blocchi ( 512 bytes o piu') , un file occupa uno o piu' blocchi, non necessariamente contigui, e sul disco c'a' un indice dei blocchi e dei files, per sapere quali blocchi appartengono a ciascun file.
I file system moderni mostrano all'utente una struttura gerarchica, quello che in Windows e' rappresentato come un insieme di cartelle e sottocartelle; questo e' realizzato tramite le directory ( le cartelle in Windows), files speciali che contengono nomi di files e puntatori alle posizioni relative nell'indice dei files.

Ci sono molti file system diversi, fra questi ricordiamo:

• FAT 16 : il file system delle vecchie versioni di Windows (1987, MS-DOS 4, Windows 3.11), i nomi potevano avere solo 8 caratteri, ed un'estensione, separata da un punto, di 3 caratteri. Windows usa le estensioni dei files per capire quale sia il contenuto del file.
• FAT 32 : Usato da Windows 95 OSR2 e Windows 98, , supera alcune limitazioni ed inefficienze del FAT16, come un massimo di 2 Gbytes per le dimensioni delle partizioni, ( ma l'utility scandisk ha problemi con partizioni FAT 32 oltre 124.55 Gbytes e Windows XP non formatta FAT 32 oltre i 32 Gbyte)
• NTFS : il nuovo file system di Windows XP, ha molte funzionalita'; come le ACL: specifiche dettagliate dei permessi di accesso ai files. Le specifiche sono proprietarie della Microsoft, ed in parte segrete.
• ext2 : uno dei file systems usato da Linux, ext3 e' la sua versione con Journal, un sistema che tiene traccia delle operazioni di I/O in modo che si possa riparare puo' facilmente il contenuto del disco in caso di problemi, come uno spegnimento improvviso della macchina
• reiserfs: un altro file system con journal per Linux, sviluppato da hans Reiser, preferibile ad ext3 in caso si abbiano molti piccoli files.
• ISO 9960: il file system utilizzato dai CD-ROM, e' uno standard ISO