[PDF] Chapitre I : Introduction aux systèmes dexploitation

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Systèmes d'Exploitation I

Chapitre I :

Introduction aux systèmes

d'exploitation

Amine DHRAIEF

18/01/18OS I2Lectures

Chapitre 1 Introduction. Avi Silberschatz, Peter Baer

Galvin, and Greg Gagne. Operating System Concepts

Ninth Edition. John Wiley & Sons, Inc., 2012.

Chapitre 1 Computer system overview. William

Stallings. Operating Systems : Internals and Design

Principles. Prentice Hall, SEVENTH EDITION, 2011.

Chapitre 1 Introduction. Andrew Tanenbaum. Systèmes d'exploitation. Pearson 3e Ed, 2008.

18/01/18OS I3Est-ce qu'il y a une définition d'un

OS ?

18/01/18OS I4Introduction

Un système d'exploitation (Operating System OS) : -un programme qui gère le hardware -Intermédiaire entre l'utilisateur et le hardware Selon les exigences des équipements des OS différents -Serveur vs. Ordinateur Portable vs. Supercalculateur -Smartphone vs. Téléviseur vs. Console de jeux -Compteur d'électricité/gaz/eau intelligent vs. Voiture vs. Drone Système complexe = décomposé en unité plus simple à modéliser et implémenter

18/01/18OS I5Introduction

Un " ordinateur »

(computer system) est constitué essentiellement de

1)Hardware

2)OS

3)Applicatifs

4)Utilisateurs

18/01/18OS I6Introduction

Le hardware

-CPU + Mémoires + périphériques d'E/S -→ Ressources du système

Le applicatifs

-Compilateur/navigateurs/Jeux/... -→ Utilisent les ressources du système pour satisfaire les besoins des utilisateurs L'OS -Contrôle le hardware et coordonne son utilisation par les différents applicatifs des utilisateurs.

18/01/18OS I7L'OS de point de vue de

l'utilisateur La plupart des utilisateurs utilisent des équipements mono-utilisateurs -Les ressources sont monopolisées par un seul utilisateur De point vue de l'utilisateur : l'objectif de l'OS est d'optimiser la facilité de l'utilisation de l'équipement -Peu d'attention est donnée aux performances du système -L'OS ne cherche pas à optimiser l'utilisation/partage des ressources → des OS optimisés pour un seul utilisateur

18/01/18OS I8L'OS de point de vue de

l'utilisateur Dans l'industrie et la recherche, un utilisateur utilise un terminal pour accéder à des serveurs/calculateurs... -Au même moment d'autres utilisateurs accèdent à ces

équipements via d'autres terminaux.

→ Les utilisateurs partagent les ressources disponibles et peuvent s'échanger des messages. → De point vue de l'utilisateur : L'objectif de l'OS est le partage équitable des ressources (CPU/Mémoire/...) entre les utilisateurs

18/01/18OS I9L'OS de point de vue de

l'utilisateur De point vue de l'utilisateurFacilité de l'utilisation de l'équipement

Partage équitable des ressources

18/01/18OS I10L'OS de point de vue de système

L'OS est vue comme un dispatcher de ressources

-Temps CPU -Espace mémoire -Périphériques d'E/S Gère les requêtes et les conflits des différent programmes/utilisateurs qui demandent l'accès à ces ressources.

18/01/18OS I11Est-ce qu'il y a une définition d'un OS ?

Le terme " système d'exploitation » couvre un grand nombre de fonctionnalités -Une grande diversité d'architecture d'équipement ayant besoin d'un OS (supercalculateurs → smartphones → capteurs)

Loi de Moore : nombre de transistors dans un CPU

double tous les 18 mois → puissance des équipements en constante augmentations → émergence de nouvelles fonctionnalités/besoins

18/01/18OS I12Loi ou Conjoncture de Moore

Gordon Moore

Né le 3 janvier 1929 à San Francisco

est un docteur en chimie et en physique, un chef d'entreprise américain.

Il est le cofondateur avec Robert

Noyce et Andrew Grove de la société

Intel en 1968, premier fabricant

mondial de microprocesseurs.

Il est connu pour avoir publié une loi

empirique portant son nom, la loi de

Moore, le 19 avril 1965 dans le

magazine Electronics -Source : wikipedia

18/01/18OS I13Loi ou Conjoncture de Moore

le nombre de transistors des microprocesseurs sur une puce de silicium double tous les 18 mois

18/01/18OS I14Est-ce qu'il y a une définition d'un OS ?

Non : il n'y a pas une définition consensuelle

-Selon Prof. Avi Silberschatz (Professor of Computer Science at Yale University) : " we have no completely adequate definition of an operating system » Est-ce qu'on connaît exactement quels sont les composants fondamentales d'un OS ? Non -" we have no universally accepted definition of what is part of the operating system » Une vision simpliste : " the operating system is the one program running at all times on the computer »

18/01/18OS I15Est-ce qu'il y a une définition d'un OS ?

Avi Silberschatz, Peter Baer Galvin,

and Greg Gagne. Operating

System Essentials. Second Edition.

John Wiley & Sons, Inc., 2012.

18/01/18OS I16Quels sont les constituants d'un OS ?

Procès antitrust contre Microsoft (justice

américaine): Windows® offre des fonctionnalités ne faisant pas partie d'un OS (Internet Explorer) → concurrence déloyale -La vente couplée de Windows et d'Internet Explorer a eu pour effet de laminer la concurrence, et particulièrement Netscape.

Les OS des smartphone inclus en plus du noyau

(kernel) un middelware (iOS/Android) -Des APIs pour les développeurs

18/01/18OS I17Noyau (Kernel) + Programmes Systèmes + Applications = ?

Noyau

Programmes Systèmes

ApplicationsOS

18/01/18OS I18Architecture des machines

18/01/18OS I19Architecture des machines

Un ordinateur à usage générale (general purpose computer) contient -Un ou plusieurs CPUs -Des contrôleurs au niveau de chaque équipements (device) -Un bus relie le tout à la mémoire

18/01/18OS I20Architecture des machines

Le CPU échange des

données avec la mémoire

Pour cela il utilise deux

registres

MAR : memory address

register → contient l'adresse mémoire du prochain R/W

MBR : memory buffer

register → contient les données

18/01/18OS I21Architecture des machines

Mise sous tension de la machine → démarrage d'un bootstrap program

Le bootstrap program :

-Un programme aussi simple que possible, connu sous le nom de firmware/micro-code. -Enregistré dans la Read Only Memory (ROM) ou Electrically Erasable

Read Only Memory

EPROM= ROM programmable qui peut être effacé et réutilisée -Initialise les équipements (Registre CPU, contenu de la mémoire,...) → Charge le noyau de l'OS (kernel) dans la mémoire.

18/01/18OS I22Architecture des machines

Une fois que le noyau (kernel) est chargé et

exécuté, il peut fournir ses services au système et aux utilisateurs. -Les systèmes basés sur UNIX lancent après le démarrage le processus " init ».

Init lance à son tour d'autre processus.

-À ce stade, l'OS est complètement démarré, et il attends l'occurrence d'un quelconque événement.

18/01/18OS I23Architecture des machines

L'occurrence d'un événement est signalé

par une interruption logicielle ou matérielle -Le hardware peut déclencher une interruption à tous moments en envoyant un signal au CPU. -Un programme peut déclencher une interruption en exécutant un appel système.

18/01/18OS I24Architecture des machines

Structure de stockage

Le CPU charge les instructions uniquement de la mémoire principale, donc tous les programmes doivent être enregistrés en mémoire Les ordinateurs à usage générale (General-Purpose Computers) exécutent leurs programmes à partir d'une mémoire réinscriptible (re- writable) appelée RAM (Random-Access Memory) → mémoire principale Le CPU interagit avec la mémoire à travers des séquences de load et store. -L'instruction load copie une mot mémoire de la mémoire principale vers un registre interne du CPU -L'instruction store copie un contenu d'un registre CPU vers la mémoire principale

18/01/18OS I25Architecture des machines

Structure de stockage

Idéalement, nous voudrions que les programmes et leurs données soient d'une manière permanente en mémoire →

Ceci est évidement impossible car :

-La taille de la mémoire principal est insuffisante pour accueillir tous les programmes et leurs données. -La mémoire principal est volatile et les données sont perdus lorsqu'on

éteint la machine.

→ Les machines sont équipées de mémoires secondaires qui étendent les capacités de la mémoire principal -Stockage permanent -Grande capacité

18/01/18OS I26Architecture des machines

Hiérarchie de mémoire

18/01/18OS I27Architecture des machines

Hiérarchie de mémoire

Mémoire principale (RAM)

-Programmes doivent être " chargés » dans la RAM pour être exécutées -Les instructions et les données sont copiées depuis la RAM dans des registres Or : -La RAM est volatile -De taille et vitesse moyennes

18/01/18OS I28Architecture des machines

Hiérarchie de mémoire

D'autres mémoires volatiles ont des tailles réduites, sont rapides et ont un coût par bit élevé -Registres -Caches CPU Mémoires non-volatiles (permanentes) ont des tailles importantes, lentes et ont un coût réduit par bit -Disque magnétique -Disque optique

18/01/18OS I29Architecture des machines

les E/S Une large portion du code des OS est dédiée à la gestion des E/S à cause de la variété de types d'E/S. Un ordinateur à usage générale est formé -de CPU(s) -et de contrôleurs de périphériques connectés à travers un bus commun. Un contrôleur est en charge d'un type spécifique de périphérique. Selon le type de contrôleur, plusieurs équipements peuvent y être attaché. -Par exemple : 7 périphériques peuvent être attaché simultanément au contrôleur d'équipement small computer-systems interface ( SCSI )

18/01/18OS I30Architecture des machines

les E/S Le contrôleur de périphérique maintien un buffer (mémoire) local pour y stocker temporairement les données émises/reçues par périphérique. Un OS utilise un pilote de périphérique (device driver) pour chaque contrôleur de périphérique. Le pilote est l'intermédiaire entre le contrôleur de périphérique et l'OS.

18/01/18OS I31Structure et Concepts de Base des

Systèmes d'Exploitation

18/01/18OS I32Finalité des OS

Un OS fournit l'environnement nécessaire pour

que les programme puissent s'exécuter.

Pour cela, l'OS :

-Alloue les ressources matérielles et logicielles pour satisfaire les besoins des programmes. -Présente aux programme une interface mieux adaptée à leurs besoins que celle fournie directement par le matériel.

18/01/18OS I33Le système d'exploitation en tant que

machine virtuelle

Peu de programmes

seraient développés si chaque programmeur devait connaître le fonctonnement du hardwarePeu de programmes seraient développés si chaque programmeur devait connaître le fonctonnement du hardwaretrouver un moyen de libérer les programmeurs de la complexité du hardwaretrouver un moyen de libérer les programmeurs de la complexité du hardwareL'ABSTRACTIONL'ABSTRACTION

18/01/18OS I34Le système d'exploitation en tant que

machine virtuelle

Hardware

API

Applicatons

1- Enrober le matériel avec une couche de logiciel qui gère

l'ensemble du système.

2- Présenter au programmeur une API (Applicaton

Programming interface, interface de programmaton

d'applicaton)

18/01/18OS I35Le système d'exploitation en tant que

machine virtuelle

Un disque est composé de cylindres,

qui contiennent chacun autant de pistes qu'il y a de têtes placées verticalement.

Les pistes se divisent en secteurs,

le nombre de secteurs étant compris entre 8 et 32.

Tous les secteurs contiennent le même

nombre d'octets.

18/01/18OS I36Le système d'exploitation en tant que

machine virtuelle •Prise en charge par Linux: -/kernels/linux-2.6/drivers/block/hd.c * This struct defines the HD's and their types. struct hd_i_struct { unsigned int head, sect, cyl, wpcom, lzone, ctl; int unit; int recalibrate; int special_op; };Les champs représentent les caractéristques géométriques du lecteur : i. le nombre de têtes (autrement dit de pistes), ii. le nombre de secteurs par piste, iii. le nombre de cylindres

18/01/18OS I37Le système d'exploitation en tant que

machine virtuelle

La plupart des programmeurs ne veulent

pas se soucier de la programmation des disques durs. Ils veulent une abstraction simple de haut niveau : -considérer par exemple que le disque contient des fichiers nommés ; -chaque fichier peut être ouvert en lecture ou en

écriture ;

-il sera lu ou écrit, et finalement fermé.

18/01/18OS I38Le système d'exploitation en tant que

machine virtuelle

La partie machine virtuelle des systèmes

d'exploitation -soustrait le matériel au regard du programmeur -offre une vue simple et agréable de fichiers nommés qui peuvent être lus et écrits

18/01/18OS I39Le système d'exploitation en tant que

machine virtuelle

Machine virtuelleMachine virtuelle

Cacher les détails de mise

en oeuvre du matériel Cacher les détails de mise en oeuvre du matériel Cacher les limitatons physiques (taille mémoire)Cacher les limitatons physiques (taille mémoire)

18/01/18OS I40Le système d'exploitation en tant que

gestionnaire de ressources

Les ordinateurs modernes se

composent de processeurs, de mémoires, d'horloges, de disques, de moniteurs, d'interfaces réseau, d'imprimantes, et d'autres périphériques qui peuvent être utilisés par plusieurs utilisateurs en même temps.

Le travail du système d'exploitation

consiste à ordonner et contrôler l'allocation des processeurs, des mémoires et des périphériques entre les différents programmes qui y font appel.

18/01/18OS I41Le système d'exploitation en tant que

gestionnaire de ressources Imaginez ce qui se produirait si trois programmes qui s'exécutent sur un ordinateur essayaient simultanément d'imprimer leurs résultats sur la même imprimante. -Les premières lignes imprimées pourraient provenir du programme 1, les suivantes du programme 2, puis du programme 3 et ainsi de suite. → Il en résulterait le désordre le plus total. Le système d'exploitation peut éviter ce chaos potentiel en transférant les résultats à imprimer dans un fichier tampon sur le disque. → Lorsqu'une impression se termine, le système d'exploitation peut alors imprimer un des fichiers se trouvant dans le tampon.

18/01/18OS I42Systèmes multi-tâches

La plupart des systèmes

d'exploitation modernes permettent l'exécution de plusieurs tâches à la fois -un ordinateur peut, pendant qu'il exécute le programme d'un utilisateur, lire les données d'un disque ou afficher des résultats sur un terminal ou une imprimante.

On parle de système d'exploitation

multi-tâches ou multi-programmé dans ce cas.

18/01/18OS I43Systèmes multi-tâches: les processus

La notion fondamentale des systèmes d'exploitation multi-tâches est celle de processus.

Un processus est une instance de programme en

train de s'exécuter. -Un processus est représenté par un programme (le code), -mais également par ses données et par les paramètres indiquant où il en est, lui permettant ainsi de continuer s'il est interrompu (pile d'exécution, compteur ordinal...). → On parle de l'environnement du programme.

18/01/18OS I44Systèmes multi-tâches: le temps partagé

La plupart des systèmes d'exploitation multi-tâches sont implémentés sur un ordinateur ayant un seul micro-processeur. Celui-ci, à un instant donné, n'exécute réellement qu'un seul processus, mais le système peut le faire passer d'un programme à un autre Ceci donne aux utilisateurs l'impression que tous les programmes sont exécutés en même temps.

18/01/18OS I45Systèmes multi-utilisateurs

Comme pour les systèmes multi-tâches, la

multi-utilisation est émulée en attribuant des laps de temps à chaque utilisateur.

Naturellement, le fait de basculer d'une

application à l'autre ralentit chacune d'entre elles et affecte le temps de réponse perçu par les utilisateurs.

18/01/18OS I46Structure externe des OS

Le système d'exploitation comporte un certain nombre de routines (sous-programmes). Les plus importantes constituent le noyau (kernel). Il gère les ressources de l'ordinateur et permet aux différents composants, matériels et logiciels, de communiquer entre eux. Le noyau d'un système d'exploitation se compose de quatre parties principales :

1.le gestionnaire de tâches (ou des processus)/ordonnanceur,

2.le gestionnaire de mémoire,

3.le gestionnaire de fichiers

4.et le gestionnaire de périphériques d'entrée-sortie.

18/01/18OS I47Le gestionnaire de tâches/ Ordonnanceur

L'ordonnanceur d'un système

d'exploitation n'a de sens qu'en système multitâche.

Il gère l'ordre dans lequel les

instructions de différentes tâches sont exécutées

Il est responsable de la sauvegarde

et de la restauration du contexte des tâches (ce contexte est constitué des registres processeurs), appelée également commutation de contexte.

18/01/18OS I48Ordonnanceur

Commutation de contexteUne commutation de contexte (context switch) consiste à sauvegarder l'état d'un processus pour restaurer à la place celui d'un autre dans le cadre de l'ordonnancement d'un système d'exploitation multitâche. La commutation de contexte invoque au moins trois étapes. Par exemple, en présumant que l'on veut commuter l'utilisation du processeur par le processus P1 vers le processus P2 : -Sauvegarder le contexte du processus P1 quelque part en mémoire (usuellement sur la pile de P1). -Retrouver le contexte de P2 en mémoire (usuellement sur la pile de P2). -Restaurer le contexte de P2 dans le processeur, la dernière étape de la restauration consistant à reprendre l'exécution de P2 à son point de dernière exécution.

18/01/18OS I49Ordonnanceur

La plupart des ordonnanceurs modernes permettent

d'indiquer sur quel processeur sont exécutées les tâches. -Certains permettent également de migrer des tâches sur d'autres machines d'une grappe de calcul. L'algorithme d'ordonnancement détermine quelle tâche doit s'exécuter en priorité et sur quel processeur. -Cet algorithme doit permettre d'utiliser efficacement les ressources de la machine

18/01/18OS I50Ordonnanceur

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