[PDF] Conception de systèmes dexploitation : Le cas Linux : 2e édition

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Conception

dÕexploitation

Le casLinux

CHEZ LE MaeME ƒDITEUR

C. B LAESS. Ð Scripts sous Linux.Shell Bash, Sed, Awk, Perl, Tcl, Tk, Python, Ruby...

N¡11405, 2004, 784 pages.

C. B Signaux, processus, threads, IPC et sockets. N¡11054, 2000, 960 pages. P. F

ICHEUX. Ð Linux embarquŽ.

N¡11024, 2002, 326 pages.

Ouvrages dÕadministration

B. BOUTHERIN, B. DELAUNAY. Ð SŽcuriser un rŽseau Linux, 2eŽdition.

N¡11445, 2004, 200 pages.

E. D REYFUS. Ð BSD, 2e Ždition (coll. Cahiers de lÕAdmin).

N¡11463, 2004, 300 pages.

C. H

UNT. Ð Serveurs rŽseau Linux.

N¡11229, 2003, 650 pages.

V. S TANFIELD& R..W. SMITHÐ Guide de lÕadministrateur Linux.

N¡11263, 2003, 654 pages.

A. B ERLAT, J.-F. BOUCHAUDY, G. GOUBET. Ð Unix Utilisateur.

N¡11319, 2

e

Ždition, 2003, 350 pages.

A. B ERLAT, J.-F. BOUCHAUDY, G. GOUBET. Ð Unix Shell.

N¡11147, 2

e

Ždition, 2002, 412 pages.

J.-F. B

OUCHAUDY, G. GOUBET. Ð Unix Administration.

N¡11053, 2

e

Ždition, 2002, 580 pages.

J.-F. B

OUCHAUDY, G. GOUBET. Ð Linux Administration.

N¡11505, 4

e

Ždition 2004, 936 pages.

Conception

dÕexploitation

Le casLinux

Patrick Cegielski

Le code de la propriŽtŽ intellectuelle du 1

er juillet 1992 interdit en effet expressŽment la photocopie ˆ usage collectif sans autorisation des ayants droit. Or, cette pratique sÕest gŽnŽralisŽe notamment dans les Žtablissements dÕenseignement, provoquant une baisse

brutale des achats de livres, au point que la possibilitŽ mme pour les auteurs de crŽer des

En application de la loi du 11 mars 1957, il est interdit de reproduire intŽgralement ou

partiellement le prŽsent ouvrage, sur quelque support que ce soit, sans lÕautorisation de lՃditeur ou

du Centre Franais dÕexploitation du droit de copie, 20, rue des Grands Augustins, 75006 Paris.

© Groupe Eyrolles, 2003, 2004, ISBN : 2-212-11479-6

ƒDITIONS EYROLLES

61, bd Saint-Germain

75240 Paris Cedex 05

www.editions-eyrolles.com Avec la contribution de Mathieu Ropert, SŽbastien Blondeel et Florence Henry.

Pour Irène et Marie

Préface

Le but de ce livre est de faire comprendre comment on conçoit un système d'exploitation en illustrant notre propos sur un cas concret dont nous commentons les sources complètement. Le choix s'est porté tout naturellement sur le premier noyau Linux, ce que nous justions au chapitre 3.

En prérequis, nous supposons que le lecteur connaît la notion de système d'exploitation en tant

qu'utilisateur, pour des systèmes d'exploitation tels que MS-DOS,Unix, MacOs ou Windows (95, 98, 2000, NT ou XP), un langage d'assemblage pour les microprocesseurs Intel80x86et qu'il sache programmer en langage C. On peut distinguer cinq niveaux de rapports avec un système d'exploitation : leniveau utilisateur: le but principal consiste essentiellement à charger les logiciels que l'on veut utiliser et de manipuler quelque peu les chiers; on se sert pour cela de l'interpréteur de commandes (et de ses commandes telles quecopy,rename...);

leniveau administrateur: cela consiste à paramétrer le système et à le tenir à jour; il est

indispensable pour les systèmes d'exploitation capables d'accueillir plusieurs utilisateurs;

leniveau écriture de scriptspour automatiser certaines séquences répétitives de commandes;

leniveau programmation système: cette programmation se fait pour Linux en langage C en utilisant lesappels système; leniveau conception du système, et plus particulièrement du noyau.

Nous allons nous intéresser ici à la conception du système d'exploitation, en illustrant nos

propos par Linux, plus particulièrement par le tout premier noyau 0.01. L'intérêt de choisir

Linux est que le code est diusé.

Ce livre n'a d'autre but que de publier en un seul volume les aspects suivants de la conception d'un système d'exploitation :

les concepts généraux sous-jacents à l'implémentation d'un système d'exploitation, tels qu'on

les trouve dans [TAN-87] dont nous nous inspirons fortement; les concepts d'un système d'exploitation de typeUnix, en suivant le plus possible la norme

Posix;

de la documentation sur le microprocesseur Intel80386; celle-ci exigeant un ouvrage de la taille de celui-ci, nous en supposons connue au moins une partie, celle qui concerne le mode dit réel;

la documentation sur les contrôleurs de périphériques et leur implémentation sur un compa-

tible PC, nécessaire à la programmation d'un système d'exploitation; une présentation des choix faits pour l'implémentation de Linux 0.01, suivie d'extraits de chiers sources, repérables facilement par l'indicationLinux 0.01située en marge, puis para- phrasés en français; ces paraphrases, commençant presque toujours par autrement dit, ne iv Préface sont pas théoriquement indispensables mais sont souvent appréciables; comme nous l'avons

déjà dit, tout le source est commenté, même si pour des raisons logiques il est dispersé tout

au long de l'ouvrage. Chemin faisant, nous montrons ainsi une méthode pour étudier les sources d'autres systèmes d'exploitation.

L'index fait références aux concepts mais aussi à tous les noms apparaissant dans les chiers

source, ce qui permet de se rendre directement au commentaire de la partie qui intéresse le lecteur.

Préface à la seconde édition

Dans cette seconde édition, paraissant dix mois après la première, le corps du texte principal

n'a pas changé, à part la correction d'une coquille. En revanche, chaque chapitre se conclut désormais par une section évolution du noyau renforcée, prenant en compte la version 2.6.0 de ce dernier. Nous conseillons de lire le livre sans tenir compte de ces sections puis d'y revenir dans un deuxième temps. Nous expliquons au chapitre 3 pourquoi il est préférable, dans un premier temps, de s'attacher au tout premier noyau. Je pense que pour lesacionadosdu tout dernier noyau en date, ces dernières sections seront utiles.

Remerciements

Je tiens à remercier tout particulièrement MathieuRopert, étudiant de l'I.U.T. de Fontaine- bleau en 20012003, pour sa relecture très attentive du manuscrit.

Table des matières

PREMIÈRE PARTIE :

PRINCIPES DE CONCEPTION DES SYSTÈMES

D'EXPLOITATION1

Chapitre 1 Structure d'un système d'exploitation..3

1 Les trois grandes fonctions.......................3

1.1 Chargement des programmes...............3

1.2 Le système d'exploitation en tant que

machine virtuelle..........................4

1.3 Le système d'exploitation en tant que

gestionnaire de ressources..................4

2 Caractéristiques d'un système d'exploitation.......5

2.1 Systèmes multi-tâches.....................5

2.2 Systèmes multi-utilisateurs.................7

3 Structure externe d'un système d'exploitation......9

3.1 Noyau et utilitaires........................9

3.2 Le gestionnaire de tâches..................9

3.3 Le gestionnaire de mémoire................9

3.4 Le gestionnaire de chiers..................9

3.5 Le gestionnaire de périphériques............10

3.6 Le chargeur du système d'exploitation.......10

3.7 L'interpréteur de commandes...............10

4 Structure interne d'un système d'exploitation......10

4.1 Les systèmes monolithiques................11

4.2 Systèmes à modes noyau et utilisateur......11

4.3 Systèmes à couches.......................11

4.4 Systèmes à micro-noyau...................12

4.5 Systèmes à modules.......................13

5 Mise en ÷uvre..................................14

5.1 Les appels système........................14

5.2 Les signaux...............................14

Chapitre 2 Principe de traitement des entrées-

1 Principe du matériel d'entrée-sortie...............15

1.1 Les périphériques d'entrée-sortie............15

1.2 Les contrôleurs de périphériques............16

1.3 Transferts synchrones et asynchrones.......17

1.4 Périphériques partagés et dédiés............18

2 Principe des logiciels d'entrée-sortie..............18

2.1 Objectifs des logiciels des entrées-sorties....182.2 Les pilotes de périphériques................19

2.3 Logiciel d'entrée-sortie indépendant du

2.4 Logiciels d'entrée-sortie faisant partie de

l'espace de l'utilisateur....................21 Chapitre 3 Le système Linux étudié...............23

1 Le système Linux à étudier.......................23

1.1 Noyau et distribution......................23

1.2 Noyau minimal............................23

1.3 Obtention des sources.....................24

1.4 Programmation Linux.....................24

1.5 Versions du noyau Linux...................24

2 Les sources du noyau 0.01.......................25

2.1 Vue d'ensemble sur l'arborescence..........25

2.2 L'arborescence détaillée....................25

3 Vue d'ensemble sur l'implémentation.............32

3.1 Caractéristiques...........................32

3.2 Étapes de l'implémentation................32

4 Évolution du noyau.............................34

4.1 Cas du noyau 2.4.18.......................34

4.2 Aide au parcours du code source...........35

4.3 Cas du noyau 2.6.0........................35

DEUXIÈME PARTIE :

UTILISATION DU MICRO-PROCESSEUR

INTEL37

Chapitre 4 Prise en compte de la mémoire Intel...39

1 La segmentation sous Intel.......................39

1.1 Notion...................................39

1.2 La segmentation en mode protégé sur Intel..39

2 La segmentation sous Linux......................45

2.1 Mode noyau et mode utilisateur............45

2.2 Segmentation en mode noyau..............46

2.3 Accès à la mémoire vive...................50

3 Évolution du noyau.............................51

3.1 Prise en compte d'autres micro-processeurs..51

3.2 Accès à la mémoire vive...................52

3.3 Utilisation de la segmentation..............52

Chapitre 5 Adaptation des entrées-sorties et des interruptions Intel.....................55

1 Accès aux ports d'entrée-sortie...................55

vi Table des matières

1.1 Accès aux ports d'entrée-sortie sous 80x86..55

1.2 Encapsulation des accès aux ports d'entrée-

sortie sous Linux..........................55

2 Les interruptions sous Linux.....................56

2.1 Rappels sur les vecteurs d'interruption d'Intel 56

2.2 Adaptations sous Linux....................60

3 Initialisation des exceptions......................61

3.1 Initialisation provisoire.....................61

3.2 Initialisation dénitive.....................62

4 Initialisation des interruptions matérielles..........64

4.1 Un problème de conception................64

4.2 Contrôleur d'interruptions programmable....65

4.3 Programmation des registres de contrôle

d'initialisation du PIC.....................66

4.4 Programmation des registres de contrôle

des opérations du PIC.....................68

4.5 Reprogrammation du PIC dans le cas de

4.6 Gestionnaires des interruptions matérielles...71

4.7 Manipulation des interruptions matérielles...72

5 Initialisation de l'interruption logicielle............72

6 Évolution du noyau.............................73

6.1 Accès aux ports d'entrée-sortie.............73

6.2 Insertion des portes d'interruption..........73

6.3 Initialisation des exceptions................74

6.4 Initialisation des interruptions matérielles....76

6.5 Manipulation des interruptions matérielles...76

TROISIÈME PARTIE :

LES GRANDES STRUCTURES

DE DONNÉES79

Chapitre 6 Les structures de données concernant les processus..........................81

1 Descripteur de processus.........................81

1.1 Structure du descripteur de processus.......81

1.2 Aspects structurels........................82

1.3 État d'un processus.......................82

1.4 Priorité d'un processus....................83

1.5 Signaux..................................84

1.6 Code de statut............................85

1.7 Espace d'adressage........................85

1.8 Identicateurs du processus................85

1.9 Hiérarchie des processus...................86

1.10 Propriétaire d'un processus.................87

1.11 Informations temporelles...................88

1.12 Utilisation du coprocesseur mathématique...891.13 Informations sur les chiers utilisés.........89

1.14 Table locale de descripteurs................90

1.15 Segment d'état de tâche...................90

2 Tâche initiale...................................94

3 Table des processus.............................97

3.1 Stockage des descripteurs de processus......98

3.2 Implémentation de la table des processus....99

3.3 Repérage d'un descripteur de processus.....99

3.4 La tâche en cours.........................99

4 Évolution du noyau.............................100

4.1 Structure du descripteur de processus.......100

4.2 Table des processus.......................102

Chapitre 7 Description du système de chiers.....103

1 Étude générale.................................103

1.1 Notion de chiers.........................103

1.2 Gestion des chiers........................104

1.3 Les chiers du point de vue utilisateur......104

1.4 La conception des systèmes de chiers......106

2 Caractéristiques d'un chier......................109

2.1 Types de chiers..........................109

2.2 Droits d'accès d'un chier sousUnix.......110

2.3 Mode d'un chier sousUnix...............111

3 Notion de tampon de disque dur.................111

4 Structure d'un disqueMinix.....................112

4.1 Bloc sousMinixet Linux.................112

4.2 Structure générale d'un disqueMinix.......112

4.3 Les n÷uds d'information sur disque.........113

4.4 Le super bloc.............................115

5 Système de chiersMinixchargé en mémoire.....116

5.1 Antémémoire.............................116

5.2 Les descripteurs de n÷ud d'information.....119

5.3 Table des super-blocs......................121

5.4 Les descripteurs de chiers.................122

6 Fichiers de périphériques.........................123

6.1 Caractéristiques...........................123

6.2 Repérage des chiers de périphériques......124

7 Évolution du noyau.............................124

7.1 Prise en charge de plusieurs systèmes de

7.2 Cas dePosix............................125

7.3 Système de chiers virtuel.................125

7.4 Super-bloc...............................126

7.5 N÷ud d'information.......................128

7.6 Descripteur de chier......................129

7.7 Répertoire................................130

7.8 Types de chiers..........................131

Table des matières vii

7.9 Déclaration d'un système de chiers........131

7.10 Descripteur de tampon....................131

Chapitre 8 Les terminaux sous Linux..............133

1 Les terminaux..................................133

1.1 Notion de terminal........................133

1.2 Les terminaux du point de vue matériel.....133

1.3 Le pilote de terminal......................139

1.4 Les diérents terminaux et les normes.......139

1.5 Modélisation en voies de communication....140

2 Paramétrage des voies de communication.........140

2.1 Principe..................................140

2.2 La structure de paramétrisation............141

2.3 Paramétrage des modes d'entrée...........141

2.4 Paramétrage des modes de sortie...........143

2.5 Le tableau des caractères de contrôle.......145

2.6 Paramétrage des modes locaux.............148

2.7 Paramétrages des modes de contrôle........150

3 Implémentation des voies de communication.......151

3.1 Implémentation d'un tampon d'entrée ou

de sortie.................................151

3.2 Implémentation des voies de communication.153

4 Implémentation du terminal......................154

4.1 Dénition du terminal.....................154

4.2 Les caractères de contrôle..................155

4.3 Caractéristiques de la console..............155

4.4 Caractéristiques des liaisons série...........156

4.5 Les tampons du terminal..................156

5 Évolution du noyau.............................156

QUATRIÈME PARTIE :

ASPECT DYNAMIQUE SANS AFFICHAGE 163

Chapitre 9 Implémentation des appels système sous Linux.............................165

1 Principe........................................165

1.1 Dénition des appels système..............165

1.2 Notion de code d'erreur...................168

1.3 Insertion et exécution des appels système....169

1.4 Fonction d'appel..........................171

2 Liste des codes d'erreur.........................172

3 Liste des appels système.........................174

4 Évolution du noyau.............................178

Chapitre 10 Mesure du temps sous Linux...........189

1 Les horloges....................................189

1.1 Le matériel de l'horloge....................190

1.2 Le logiciel des horloges....................191

2 Horloges matérielles des PC......................1942.1 L'horloge temps réel des PC...............194

2.2 Minuteur périodique programmable.........196

3 Programmation du minuteur sous Linux...........198

3.1 Initialisation du minuteur..................199

3.2 Variable de sauvegarde du temps...........199

3.3 Gestionnaire de l'interruption d'horloge......199

3.4 La comptabilisation du processus en cours...200

4 Maintien de la date et de l'heure sous Linux.......201

4.1 Variable structurée de conservation du temps 201

4.2 Initialisation de la variable structurée.......202

5 Évolution du noyau.............................204

Chapitre 11 Le gestionnaire des tâches.............209

1 Commutation de processus......................209

1.1 Notion générale...........................209

1.2 Gestion du coprocesseur arithmétique.......209

1.3 Cas de Linux.............................209

2 Ordonnancement des processus..................210

2.1 Politique d'ordonnancement................211

2.2 Algorithme d'ordonnancement..............212

3 Initialisation du gestionnaire des tâches...........215

4 Évolution du noyau.............................215

Chapitre 12 Les signaux sous Linux.................221

1 Notion générale de signal........................221

2 Liste et signication des signaux.................221

3 Vue d'ensemble de manipulation des signaux......223

4 Implémentation des deux appels système..........224

4.1 Implémentation de l'appel système d'envoi

d'un signal...............................224

4.2 Implémentation de l'appel système de

5 Implémentation du traitement des signaux........225

6 Fonction de gestion de signal par défaut..........227

7 Évolution du noyau.............................227

CINQUIÈME PARTIE :

AFFICHAGE231

Chapitre 13 Le pilote d'écran sous Linux............233

1 Achage brut..................................233

1.1 Rappels sur l'achage texte sur l'IBM-PC...233

1.2 Implémentation sous Linux.................234

2 Notion d'achage structuré.....................237

2.1 Principe du logiciel d'achage structuré....237

2.2 Cas de Linux.............................238

3 Les suites d'échappement ECMA-48..............238

3.1 Syntaxe..................................238

3.2 Sémantique...............................239

viii Table des matières

4 Le pilote d'écran sous Linux.....................240

4.1 Prise en compte des caractéristiques

4.2 Fonction d'écriture sur la console...........241

4.3 Traitement des cas spéciaux...............245

5 Évolution du noyau.............................254

5.1 Achage graphique et achage console....254

5.2 Caractéristiques de l'écran.................254

5.3 Les consoles..............................259

Chapitre 14 L'achage des caractères sous Linux...263

1 Traitement des caractères........................263

1.1 Les caractères............................263

1.2 Classication primaire des caractères........263

1.3 Fonctions de classication des caractères....264

1.4 Fonctions de conversion...................265

2 Écriture sur une voie de communication...........266

2.1 Description...............................266

2.2 Implémentation...........................266

2.3 Attente du vidage du tampon d'écriture.....267

2.4 Traitement des processus en attente........268

3 Évolution du noyau.............................269

3.1 Traitement des caractères..................269

3.2 Écriture sur une voie de communication.....269

Chapitre 15 L'achage formaté du noyau..........273

1 Nombre variable d'arguments....................273

1.1 L'apport du C standard....................273

1.2 Implémentation destdarg.hsous Linux..274

2 Formatage.....................................275

2.1 La fonctionsprintf()..................275

2.2 Structure des formats.....................275

2.3 Le cas de Linux 0.01......................277

2.4 Implémentation devsprintf()sous Linux 277

2.5 Les fonctions auxiliaires....................280

3 La fonctionprintk().........................283

4 La fonctionpanic()..........................284

5 Évolution du noyau.............................284

SIXIÈME PARTIE :

ASPECT DYNAMIQUE AVEC AFFICHAGE 289

Chapitre 16 Gestionnaires des exceptions...........291

1 Traitement des exceptions sous Linux.............291

2 Structure générale des routines...................292

2.1 Dénitions des gestionnaires...............292

2.2 Structure d'un gestionnaire................292

2.3 Les fonctions de traitement du code d'erreur 293

2.4 Les fonctions C des gestionnaires par défaut.2942.5 Les macros auxiliaires.....................296

3 La routineint3().............................296

4 La routinedevice_not_available()......297

4.1 La routine principale......................297

4.2 La fonctionmath_state_restore()..298

5 Évolution du noyau.............................298

Chapitre 17 Mémoire virtuelle sous Linux...........301

1 Étude générale.................................301

1.1 Mémoire virtuelle.........................301

1.2 Mise en place de la mémoire virtuelle.......301

2 Pagination.....................................302

2.1 Notion...................................302

2.2 Pagination à plusieurs niveaux..............302

2.3 Protection................................304

3 La pagination sous Intel80386.................304

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