[PDF] Les Systèmes dExploitation Les exercices et corrigés

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Cours IN201

Année 2010-2011

Les Systèmesd"Exploitation

Responsable : Bertrand Collin.

Auteurs : Bertrand Collin, Marc Baudoin, Manuel

Bouyer, Jérôme Gueydan, Thomas Degris, Fré- déric Loyer, Damien Mercier.École nationale supérieure detechniques avancées

Copyright

c

Bertrand Collin 2009-2011Ce document est mis à disposition selon les termes du contrat Creative Com-

mons " Paternité - Pas d"utilisation commerciale - Partage des conditions initiales à l"identique» 2.0 France : http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/2.0/fr/Vous êtes libre : de reproduire, distrib ueret communiquer cette création au public ; de modifier cette création.

Selon les conditions suivantes :

Paternité.

Vous devez citer le nom de l"auteur original de la manière indiquée par l"auteur de l"oeuvre ou le titulaire des droits qui vous confère cette autorisation (mais pas d"une manière qui suggérerait qu"ils vous soutiennent ou approuvent votre utilisation de l"oeuvre).

Pas d"utilisation commerciale.

Vous n"avez pas le droit d"utiliser cette création à des fins commerciales. Partage des conditions initiales à l"identique.

Si vous modifiez, transformez ou

adaptez cette création, vous n"avez le droit de distribuer la création qui en résulte que sous un contrat identique à celui-ci. À chaque réutilisation ou distribution de cette création, vous devez faire appa- raître clairement au public les conditions contractuelles de sa mise à disposition. La meilleure manière de les indiquer est un lien vers cette page Web. Chacune de ces conditions peut être levée si vous obtenez l"autorisation du titulaire des droits sur cette oeuvre. Rien dans ce contrat ne diminue ou ne restreint le droit moral de l"auteur ou des auteurs. Ce qui précède n"affecte en rien vos droits en tant qu"utilisateur (exceptions au

droit d"auteur : copies réservées à l"usage privé du copiste, courtes citations, parodie...).3

Les personnes suivantes ont par ailleurs participé à la constitution de ce document à l"occasion de leur participation au cours "Systèmes d"exploitation» : Robert N"Guyen, Régis Cridlig, Antoine de Maricourt, Matthieu Vallet.

Anglicisme et autres barbarismes

Il est très difficile d"expliquer le fonctionnement de l"informatique, des systèmes d"exploitation et des ordinateurs sans employer de mots anglais ou, pire, de mots francisés à partir d"une racine anglaise (commerebooter, par exemple, souvent employé en lieu et place de réinitialiser). Nous avons essayé tout au long de ce document de cours d"utiliser systématiquement des mots français en indiquant en italique le mot anglais habituellement employé. Néanmoins, certains mots anglais n"ont pas de traduction satisfaisante (comme bug, par exemple) et nous avons parfois préféré utiliser le mot anglais original plutôt que l"une des traductions officielles (bogue, en l"occurrence). Cependant, afin de ne pas tomber dans le travers fustigé au paragraphe précédent, cette utilisation des

angliscismes a été strictement limitée au terme initial et des traductions françaises ont

été employées pour les termes dérivés (par exemple, débogueur et débogage). Enfin, certaines expressions anglaises sont parfois employées sans faire référence à leur sens originel (commefork, par exemple). Dans ce cas, la traduction française donne une expression correcte, mais plus personne ne fait le lien entre cette expression et le sujet évoqué. L"essentiel étant que nous nous comprenions tous, nous avons dans ce cas-là utilisé le mot anglais.

Mises à jour

Les dernières mises à jour concernant les sujets présentés en cours, les énoncés et

les exercices des travaux pratiques ou l"énoncé des projets figurent sur la page www consacrée à ce cours1. Tous les programmes présentés en exemple dans ce document sont disponibles via cette page www ainsi que la majorité des corrections des exercices de travaux pratiques.

Remerciements

Les auteurs remercient tous les (re)lecteurs bénévoles qui ont eu le courage d"in- diquer les erreurs, les imprécisions et les fautes d"orthographe, ainsi que toutes les personnes qui, par le biais de discussions fructueuses, de prêts d"ouvrages ou d"expli- cations acharnées, ont permis la réalisation de ce manuscrit.

En particulier, les auteurs remercient :1. Cette page est accessible à partir de l"urlhttp://www.ensta.fr/~bcollin/

6 -Thierry Bernard et Jacques Le Coupanec pour les nombreuses explications sur l"architecture des ordinateurs et la programmation de la MMU, ainsi que pour la relecture attentive du chapitre 1; Eric Benso, Christophe Debaert et Cindy Blondeel pour la relecture minutieuse des chapitres allant de l"introduction à 7; Régis Cridlig pour les nombreuses précisions apportées aux chapitres allant de l"introduction à 5; Béatrice Renaud pour la lecture attentive des chapitres allant de l"introduction à

7 ainsi que pour la correction des nombreuses fautes d"orthographe;

Lamine Fall et Denis Vervisch pour leur relecture patiente de l"ensemble du document. 7 GlossaireDe nombreux acronymes ou abréviations sont utilisés dans ce manuscrit. Ils sont

généralement explicités dans le texte, mais un résumé de ces termes employés paraît

toutefois utile.

ADSLAsymmetric Digital Subscriber Line

ALUArithmetic and Logic Unit

APICAdvanced Programmable Interrupt Controller

ATAAdvanced Technology Attachment

ATAPIATA with Packet Interface

BSBBack Side Bus

FSBFront Side Bus

LAPICLocal Advanced Programmable Interrupt Controller

CISCComplex Instruction Set Computer

CPUCentral Process Unit

DDRDouble Data Rate

DRAMDynamic Random Access Memory

DRMDigital Right Management

DVDDigital Versatil Disk

SRAMStatic Random Access Memory

GPTGlobally Unique Identifier Partition Table

IPIInter Processor Interrupts

IMRInterrupt Mask Register

IRQInterruption ReQuest

IRRInterrupt Request Register

ISRIn-Service Register

MMUMemory Management Unit

MPIMessage Passing Interface

PCIePeripheral Component Interconnect Express

PICProgrammable Interrupt Controler

POSIXPortable Operating System Interface [for Unix]

PTEPage Table Entry

9

PVMParallel Virtual Machine

RISCReduced Instruction Set Computer

SCSISmall Computer System Interface

SDRAMSynchronous Dynamic Random Access Memory

SSIISociété de Services en Ingénierie et Informatique ou Société de Services et d"Ingénierie en Informatique

TLBTranslocation Lookaside Buffer

UEFIUnified Extensible Firmware Interface

USBUniversal Serial Bus

10

Introduction

Pourquoi un système d"exploitation?Le système d"exploitation est l"élément essentiel qui relie la machine, composée

d"éléments physiques comme le microprocesseur, le disque dur ou les barrettes mé- moire, et l"utilisateur qui souhaite effectuer des calculs. Sans système d"exploitation, chaque utilisateur serait obligé de connaître le fonctionnement exact de la machine sur laquelle il travaille et il serait, par exemple, amené à programmer directement un contrôleur de périphérique USB pour pouvoir enregistrer ses données sur une clé USB. Sans le contrôle du système d"exploitation, les utilisateurs pourraient aussi détruire

irrémédiablement certaines données stockées sur un ordinateur, voire détruire certains

périphériques - comme le disque dur - en programmant des opérations illicites. Les systèmes d"exploitation jouent donc un rôle majeur dans l"utilisation d"un ordinateur et si l"outil informatique s"est répandu dans le monde entier, c"est certes grâce à l"abaissement des prix d"achat et grâce à l"augmentation de la puissance des

ordinateurs, mais c"est surtout grâce aux progrès réalisés lors des cinquante dernières

années dans la programmation des systèmes d"exploitation : avec une machine de puissance équivalente, la moindre opération sur un ordinateur qui aujourd"hui nous paraît triviale était alors proprement impossible à réaliser! 11 Ce document présente les systèmes d"exploitation ainsi que leurs composants principaux et leurs structures. Toutes les notions essentielles à la compréhension du fonctionnement d"un ordinateur avec son système d"exploitation sont ici abordées, mais un lecteur désireux d"approfondir un sujet particulier doit se reporter à un ouvrage spécialisé, par exemple un des ouvrages cités dans la bibliographie. Les notions pré-

sentées ici ne font en général référence à aucun système d"exploitation en particulier.

Néanmoins, nous avons choisi d"illustrer les fonctionnalités avancées des systèmes d"exploitation par des exemples provenant essentiellement des systèmes d"exploita- tion de type Unix. Nous justifierons plus loin ce choix et un lecteur critique pourra considérer que ce choix est a priori aussi valable qu"un autre. Nous abordons aussi dans ce document certains sujets qui ne relèvent pas di- rectement des systèmes d"exploitation, comme l"architecture des ordinateurs ou la compilation de programmes, mais dont l"étude permet d"expliquer plus facilement le rôle d"un système d"exploitation et de montrer l"étendue des services qu"il rend. Pourquoi étudier les systèmes d"exploitation? Avant de se lancer à corps perdu dans l"étude des systèmes d"exploitation, il est raisonnable de se demander ce que cette étude peut nous apporter. Précisons tout d"abord que ce document est à l"origine le support écrit d"un cours proposé en deuxième année du cycle d"ingénieur de l"ENSTAParisTech2. Les raisons évoquées ci-dessous s"adressent donc à tous les étudiants non spécialisés en informatique qui exerceront rapidement des métiers d"ingénieur à responsabilité. Tous les ingénieurs issus de grandes écoles généralistes auront à utiliser l"outil informatique dans leur métier. Bien entendu, suivant le métier exercé ou suivant l"évolution de la carrière de chacun, cette utilisation sera plus ou moins fréquente et certains ne feront que tapoter de temps en temps sur leur clavier alors que d"autres passeront des heures à se battre avec (contre?) la machine. Quel que soit le profil choisi, tous les ingénieurs de l"ENSTAParisTech se retrouve- ront dans une des trois3catégories suivantes.

L"utilisateur :

comme son nom l"indique, la seule préoccupation de l"uti- lisateur est d"utiliser sa machine. Son désir le plus vif est que celle-ci se mette à fonctionner normalement quand il l"allume et que ses logiciels favoris lui permettent de travailler correctement.

Le décideur :

il prend les décisions vitales concernant les choix straté- giques et commerciaux de l"informatique d"entreprise. C"est lui qui décidera par exemple s"il vaut mieux acheter un gros ordinateur relié

à 50 terminaux ou s"il est préférable d"acheter 50 micro-ordinateurs2. Voirhttp://www.ensta.fr/~bcollin.

3

. Nous pourrions ajouter d"autres catégories afin de distinguer certaines professions comme par exemple

le conseil en informatique. 12 connectés en réseau. Souvent le décideur se fonde sur les besoins exprimés par les utilisateurs pour prendre sa décision.

Le programmeur :

il cherche à tirer le meilleur parti de la machine qu"il programme tout en perdant le moins de temps possible en développements. Le programmeur cherche aussi à préserver ses programmes du temps qui passe et tente de les réutiliser de machine en machine afin de ne pas tout recommencer à chaque fois. Beaucoup d"élèves ingénieurs estiment spontanément que seule la 3ecatégorie doit s"intéresser aux cours d"informatique et, notamment, aux systèmes d"exploitation. En fait, ceci est faux et c"est même une erreur grave.

L"utilisateur et les systèmes d"exploitation

L"utilisateur doit connaître le fonctionnement et les capacités des systèmes d"ex- ploitation car c"est pour lui l"unique façon de savoir ce qu"il est en droit d"attendre d"un ordinateur. En pratique, lorsqu"un utilisateur exprime ses besoins, il fait souvent

référence à des logiciels (ou à des machines) qu"il utilise déjà ou dont il a entendu

parler. Il est très rare qu"un utilisateur exprime ses besoins en dehors de tout contexte commercial, c"est-à-dire sans citer d"exemples de logiciel ou de marque. Ce phénomène a un effet pervers : il n"est pas rare qu"un utilisateur passe sous silence un besoin informatique soit parce qu"il pense que ce n"est pas possible, soit parce qu"il ne connaît pas d"exemples de logiciel répondant à ce besoin. Par exemple, bon nombre d"utilisateurs de PC dans les entreprises ne savent pas qu"un ordinateur peut fonctionner pendant de longs mois sans qu"il y ait besoin de le réamorcer (de le "rebooter») et, leur environnement professionnel ou commercial ne proposant aucun système stable, ce besoin est rarement exprimé. Inversement, il est fort probable que si un système stable leur était proposé, il aurait beaucoup de succès4. Connaître le fonctionnement des systèmes d"exploitation et des ordinateurs permet donc à l"utilisateur d"exprimer ses besoins informatiques réels et non un sous-ensemble réduit de ces besoins. Par ailleurs, connaître le fonctionnement de la machine permet généralement d"adopter la bonne attitude quand celle-ci ne fonctionne pas exactement comme on le désire et cela évite souvent d"entreprendre des actions quasi-mystiques, voire totalement ésotériques, comme il arrive d"en voir dans certains cas... Bien entendu, pour l"utilisateur, seuls les principes de fonctionnement comptent et il n"a pas besoin de connaître les détails concernant tel ou tel système d"exploitation. Il est néanmoins capital d"étudier un système d"exploitation complexe et efficace qui offre le plus de services possibles (comme Unix par exemple) et l"utilisateur ne peut donc se contenter d"étudier le système d"exploitation qu"il utilise habituellement5.4

. La propagation rapide de Windows 2000, nettement plus stable que les précédentes moutures, et le

succès mitigé de Windows XP, qui n"apporte rien de mieux dans ce domaine, tend à confirmer cette analyse.

5. Sauf si c"est Unix, bien entendu!

13

Le décideur et les systèmes d"exploitationLedécideurdoits"enquérirdesbesoinsdesutilisateursetprendreladécisiond"achat

informatique (par exemple) adéquate. La connaissance des systèmes d"exploitation est ici capitale pour - au moins - deux raisons : la réponse aux besoins des utilisateurs et la pérennité des choix informatiques. Pour répondre aux besoins des utilisateurs, le décideur doit connaître les possibilités des machines et l"ensemble des logiciels disponibles (systèmes d"exploitation compris).

Il doit aussi connaître les différentes possibilités matérielles, les réseaux, etc. Par

ailleurs, il peut (doit?) aider les utilisateurs à mieux définir leurs besoins en faisant abstraction des références commerciales habituelles. Cette étape souvent négligée est capitale,carsilesutilisateursn"exprimentpascorrectementleurs besoins informatiques, le décideur ne pourra pas prendre une décision efficace. En supposant que notre décideur ait réussi à définir les besoins des utilisateurs dont il est responsable, il doit maintenant prendre la bonne décision. Le matériel informatique coûte beaucoup moins cher qu"auparavant et il est donc possible d"en changer souvent. Cette possibilité est trompeuse car elle laisse supposer que les choix stratégiques se font désormais à court terme, ce qui est totalement faux. Ainsi, si une entreprise décide de changer de type d"ordinateur pour passer par exemple de PC à Mac, il est probable que la plupart des développements qu"elle a effectués et la plupart des données qu"elle a stockées seront perdues dans l"opération. Dans le meilleur cas, cela nécessitera une phase de traduction d"un format à un autre, phase qui revient très cher. Outre les coûts mentionnés ci-dessus, il faut aussi prendre en compte les coûts de formation des utilisateurs : rares sont les utilisateurs qui sont capables de s"autoformer à partir des documentations des systèmes d"exploitation ou des logiciels nouvellement installés et il est donc nécessaire d"organiser des sessions de formation, le plus souvent

sous-traitées à des sociétés de formation et généralement très coûteuses (d"un à plu-

sieurs milliers d"euros par jour et par personne). Ces sessions de formation peuvent aussi engendrer une interruption du service puisque les personnels de l"entreprise se retrouvent indisponibles pendant plusieurs jours (voire plusieurs semaines en temps cumulé). En conséquence, même si le matériel est fréquemment renouvelé, la politique informatique est maintenue à long terme. Le décideur doit donc s"assurer que les choix qu"il fait ne mettent pas son entreprise en danger6et qu"ils lui permettront de s"adapter aux différents changements dans les années à venir. Par ailleurs, il ne faut pas que les choix du décideur lient le sort de son entreprise à un fournisseur particulier, comme, par exemple, un fabricant d"ordinateurs : les fournisseurs savent pertinemment qu"il est difficile pour une entreprise de changer de type de machine et ils agissent alors en situation de quasi-monopole. Ils jouent sur le

fait que cela revient moins cher à l"entreprise de payer très cher ce matériel plutôt que

de changer de fournisseur.6. La sécurité des solutions mises en place devrait à ce titre être une préoccupation majeure.

14 pérennité est d"utiliser des systèmes d"exploitation toujours plus ouverts, toujours plus efficaces, qui évoluent rapidement et qui sont portés sur de nombreuses architectures différentes.quotesdbs_dbs12.pdfusesText_18

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