3IS - Système d'exploitation

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1 3IS - Système d'exploitation 2010 David Picard Contributions de : Arnaud Revel, Mickaël Maillard picard@ensea.fr

2 1. Introduction Fonctionnement simplifié d'un ordinateur Rôle d'un système d'exploitation Gestion du matériel Gestion de tâches Types d'os Caractéristiques multitâches/multiutilisateur portabilité Historique d'unix et Linux

3 Un ordinateur très simple CPU Un processeur

4 Un ordinateur très simple CPU Un processeur De la mémoire Mémoire

5 Un ordinateur très simple CPU Périphériques (disque dur) Périphériques (clavier) Périphériques (écran) Un processeur De la mémoire Quelques périphériques variés Mémoire Périphériques (autres)

6 Mémoire CPU Périphériques programmes Mémoire : Programmes

7 Mémoire CPU Périphériques programmes données Mémoire : Programmes Données

8 Mémoire CPU Périphériques programmes données données, interactions Mémoire : Programmes Données Périphériques : Données Interaction avec l'utilisateur (données prioritaires)

9 Un programme int main(int argc char ** argv) { int a, b, c ; float *A, *B ; /* check input */ if(argc < 3) { printf("usage : dotprod <a> <b>\n") ; return 1 ; } /* read a from args */ a = atoi(argv[1]); b = atoi(argv[2]) ;... Suite d'instructions Ensemble de données

10 Un programme int main(int argc char ** argv) { int a, b, c ; float *A, *B ; /* check input */ if(argc < 3) { printf("usage : dotprod <a> <b>\n") ; return 1 ; } /* read a from args */ a = atoi(argv[1]); b = atoi(argv[2]) ; Mémoire données instructions... Suite d'instructions Ensemble de données

11 Exécution d'un programme EIP CPU 0xAD00 : instruction 1 0x1D04 : instruction 2 0xAD08 : instruction 3 0xAD0C : instruction 4... Lecture de l'instruction contenue à l'adresse du registre EIP dans la mémoire Mémoire

12 Exécution d'un programme EIP CPU 0xAD00 : instruction 1 0x1D04 : instruction 2 0xAD08 : instruction 3 0xAD0C : instruction 4... Lecture de l'instruction contenue à l'adresse du registre EIP dans la mémoire Exécution Mémoire

13 Exécution d'un programme EIP++ CPU 0xAD00 : instruction 1 0x1D04 : instruction 2 0xAD08 : instruction 3 0xAD0C : instruction 4... Lecture de l'instruction contenue à l'adresse du registre EIP dans la mémoire Exécution Incrémentation EIP Mémoire

14 Exécution d'un programme EIP CPU 0xAD00 : instruction 1 0x1D04 : instruction 2 0xAD08 : instruction 3 0xAD0C : instruction 4... Mémoire Lecture de l'instruction contenue à l'adresse du registre EIP dans la mémoire Exécution Incrémentation EIP Itération suivante...

15 Interaction entre programmes, mémoire et périphériques Mémoire : Lire des données en mémoire Écrire des données en mémoire En fonction des données en mémoire, exécuter certaines instructions Lancer d'autres programmes stockés en mémoire... Périphériques Lire des données sur un périphérique (ex. clavier) Écrire des données sur un périphérique (ex. écran) Réagir lorsqu'un périphérique est sollicité (ex. bouton power)...

16 Rôle d'un système d'exploitation Gérer l'exécution des programmes Lancement, terminaison, etc Intégrité des programmes, sécurité des données Servir d'interface entre les différents programmes en cours d'exécution Gérer la mémoire Allocation, droits d'accès, etc Gérer l'accès au matériel Servir d'interface entre les programmes et le matériel Répondre aux demandes du métériel (interruptions par exemple)

17 Gestion du matériel Accès à une ressource matérielle Le programme peut vouloir lire sur le disque, récupérer ce qui est tapé au clavier, récupérer les données d'un scanner, afficher quelque chose à l'écran, imprimer un document ou encore communiquer avec d'autres programmes à travers un réseau. Le système d'exploitation se charge de réaliser les accès aux différents périphériques en proposant une unique interface. Les périphériques sont variés et ont différentes méthodologie d'utilisation. En proposant une interface, le système d'exploitation simplifie le développement des programmes.

18 Gestion du matériel Gestion des interruptions Certains matériels peuvent imposer un changement de comportement, voire la suspension, des programmes en cours (bouton stop sur une chaîne de montage par exemple).

19 Gestion du matériel Sécurisation des ressources critiques Si deux programmes veulent accéder en même temps à une ressource matérielle unique (l'imprimante, par exemple), c'est le rôle du système d'exploitation de faire en sorte que l'utilisation du matériel est correct et que le résultat correspond à celui qui est attendu (on ne veut pas que deux documents soient imprimés entremêlés sur la même feuille par exemple).

20 Gestion des tâches Contexte d'exécution Lorsqu'un programme s'exécute, le système d'exploitation se charge d'assurer la bonne mise en place de son contexte d'exécution (registre matériels comme le pointeur de pile, mais aussi charger le code des différentes bibliothèques utilisée, etc).

21 Gestion des tâches Commutation de processus Sur certains OS, plusieurs programmes peuvent être en cours d'exécution en même temps. Le rôle de l'os est de s'assurer que chaque programme peut s'exécuter correctement (en mettant à jour son contexte, par exemple le pointeur de pile), et que chaque programme en cours est bien exécuté (ordonnancement) La sécurité des données propres à chaque programme (par exemple interdiction à un programme de modifier les données d'un autre programme) est aussi réalisée par le système d'exploitation.

22 Gestion des tâches Communication entre programmes Certains programmes ont besoin de communiquer entre eux (échange de données, attente de fin, etc). L'OS se charge de proposer une interface unifiée de communication (ce que l'on appelle les IPC InterProcess Communication).

23 Anatomie d'un système d'exploitation applications Système d'exploitation libc toolkit Gestion Des Processus Gestion De la Mémoire Gestion Du Matériel Noyau hardware

24 Types de systèmes d'exploitation Usages : Grand public : réactifs, plein de programmes variés, peu de contraintes (matérielles et temporelles) Temps réel : comportement prédictible, répondant à des contraintes temporelles fixes Embarqués : peu de programmes, connus à l'avance, mais forte contraintes matérielles (peu de mémoire, etc)

25 Types de noyaux Noyau : Monolithique : Tout est inclu dans le noyau, gestion de processus, gestion de mémoire, pilotes de périphériques, protocoles de communication, IPC, etc. (ex Linux, Solaris) Micronoyau : Le strict minimum est inclu dans le noyau : gestion de processus, gestion de la mémoire et IPC très complexes. Le reste est délégué à des applications spécifiques appelées services. (ex Mach, L4)

26 Comparaison entre noyaux monolithiques et micronoyaux ÉCOLE NATIONALE SUPÉRIEURE DE L'ÉLECTRONIQUE ET DE SES APPLICATIONS

27 Noyaux modulaires Noyaux monolithiques mais Possibilité d'ajouter et de retirer des fonctionnalités au noyau en cours d'exécution Plus petit (car un nombre limité de pilotes est chargé en mémoire, les suivants pouvant être chargés à la demande si besoin) Ex : Linux

28 Caractéristiques de Systèmes d'exploitation Multi-tâches : Plusieurs programmes peuvent s'exécuter en même temps Multi-utilisateurs : Plusieurs utilisateurs peuvent utiliser l'ordinateur en même temps Multi-plateforme : Le système peut être installé sur des machines très variées

29 Multi-tâches Plusieurs programmes peuvent s'exécuter en même temps : Gerer la création et la suppression de tâches Veiller à ce que chaque tâche ait accès aux ressources demandées en un temps raisonnable : Ordonnancement Ressources critiques Veiller à l'intégrité des données de chaque tâches (gestion de droits)

30 Multi-utilisateur Plusieurs utilisateurs sur la machine : Gérer l'accès aux ressources critiques Veiller à l'intégrité des données de chaque utilisateur Permettre un système de communication entre les utilisateurs

31 Multi-plateforme Le système peut s'installer sur différents types d'environnements : Offrir une interface indépendante de l'architecture matérielle aux programmes Gérer plusieurs architecture matérielles différentes

32 Historique 69 : Thomson et Ritchie mise au point de la première version UNIX PDP7/9; noyau 16Ko; Process 8Ko, Fichier 64Ko 72 : Kernighan et Ritchie : langage C 73 : Réécriture du noyau UNIX en C Gestion des processus Gestion des fichiers Banalisation des E/S

33 Historique 75 : Premier portage d UNIX 76 : microprocesseurs 8/16 bits 77 : Thomson à l université de Berkeley 500 installations 79 : Portage sur VAX et IBM 82 : Commercialisation par ATT Unix-based et Unix-like ( install.)

34 Historique 84 : Efforts de normalisation DEC (Ultrix) Gould (UTX) HP (HP-UX) 85 : MINIX par A. Tanenbaum 88 : standard sur les stations de travail SUN/BULL/IBM

35 Historique 89 : Premier BSD libre Sept 91 : Linux 0.01 (inspiré par Minix) Oct 91 : Linux 0.03 (bash et gcc) Dec 91 : Linux 0.10 (premières contributions externes) Jan 92 : Linux 0.12 (mémoire virtuelle, licence GPL) Mars 92 : linux 0.95 (init/login, X)

36 Historique 93 : NetBSD et FreeBSD Mars 94 : Linux 1.0 (stable en production, fournit des services comparables à UNIX) Mars 95 : Linux 1.2 (nombreuses architectures, modules chargeables) Juillet 96 : Linux 2.0 (multiprocesseur, mascotte Tux) Janvier 99 : Linux 2.2

37 Historique 99 : MacOSX (noyau hybride) 01 : Linux : Linux 2.6 (noyau préemptible) 07 : Linux (ordonnanceur CFS) 08 : Linux (Kgdb) 21 Juillet 2011 : Linux (13M lignes de code)

38 Caractéristiques de Linux Noyau monolithique : comme la plupart des Unices Modules : des fonctionnalités peuvent être activées ou désactivées (seuls SVR4.2 et Solaris peuvent le faire aussi) Threads du noyau : certaines fonctionnalités sont indépendantes Support multithread natif Noyau préemptif : un processus peut être interrompu même en mode noyau Système multiprocesseur Nombreux systèmes de fichiers Nombreuse architectures supportées Petit et compact Performant libre

39 Distributions Système d'exploitation complet basé sur Linux : Le noyaux Linux Une libc et un compilateur C (souvent gcc) Un gestionnaire de boot pour charger le noyau (grub, lilo,...) Un système d'initialisation pour lancer les processus offrant les services standards (réseau, impression, interface graphique, ) Un shell (bash, dash, ksh, ) Un gestionnaire de packages (apt, rpm, portage, ) Un dépôt de logiciels préparés en packages (et vérifiés pour bien fonctionner avec le reste du système)

40 Familles de distributions Deb : Debian, ubuntu, et dérivée Gestionnaire de paquets *.deb Debian : serveur, Ubuntu : desktop RPM : RedHat, SuSE, Mandriva, et dérivée Gestionnaire de paquets *.rpm RedHat : serveur, Mandriva : desktop Slackware plus vieille distribution (paquets *.tgz) Distributions sources : gentoo, sourcemage,... Recompiler tous les logiciels (paquets sources, donc) Gentoo : gestionnaire de paquets portage très puissant

41 Concepts fondamentaux Modes d'utilisation : Mode utilisateur : routine du programme en cours d'exécution Espace mémoire réservé Contexte matériel particulier (pointeurs de pile, de programme, etc) Droits restreints Mode noyau : routines du noyau Espace mémoire total Contexte matériel particulier Droit d'accès totaux On y accède par une interruption (soit matérielle, soit logicielle)

42 Concepts fondamentaux Processus : instance d'un programme en cours d' exécution et son contexte Fichiers : tout est fichier, les périphériques, les documents, etc Droits : les fichiers ont différents niveaux de droits (user, group, other) Réentrant : plusieurs processus peuvent simultanément s'exécuter en mode noyau

43

44 Contexte user/kernel L'utilisation de la machine est divisée en deux mode d'exécution : Le mode noyau (kernel mode) Le mode utilisateur (user mode) Le mode utilisateur est le mode d'utilisation des utilisateurs : root Les services (serveur de fichier, web, imprimante, ) Les vrais usagers

45 Droits et mode La mémoire est réservée à un mode d'utilisation Les applications en mode user ne peuvent pas accéder À l'espace mémoire du mode kernel À l'espace mémoire des autres applications À certains périphérique Pour gérer les droits, les processeurs dispose de plusieurs mode d'exécution Un mode protégé correspondant au mode user, dans lequel tout n'est pas accessible Un mode privilégié correspondant au mode kernel dans lequel on peut tout modifier

46 Accès au mode noyau Les zones de mémoire contenant le code du noyau sont en mode privilégié On ne peut pas y accéder en mode user On y accède par une interruption Le système passe en mode privilégié Le noyau traite l'interruption Retour en mode user et poursuite du programme

47 Passage en mode noyau Le passage en mode noyau se fait Lors d'une interruption matérielle Le système passe en mode privilégié et exécute alors le code du noyau prévu pour cette interruption Lors d'une anomalie Le système lève alors une exception, passe en mode privilégié et exécute le code prévu pour cette exception Lors d'une demande de service au noyau via un appel système Il s'agit d'un interruption logicielle voulue par l'application appelante Le système passe en mode privilégié et exécute le code du noyau correspondant à l'appel système

48 Interruptions C'est un signal déclenché soit Par un périphérique matériel Elle peut survenir à n'importe quel moment Le code permettant de traiter l'interruption est appelé pilote Par une demande logicielle Instruction spéciale déclenchant une interruption logicielle Le code à exécuter lors du déclenchement d'une interruption est installé à l'initialisation du système Ce code fait parti du noyau

49 Exceptions Ce sont les réponse du processeur à une instruction incorrecte lors de l'exécution d'un programme C'est une interruption générée par le processeur Elles permettent de signaler les erreurs dans le code (faute de droits, par exemple) Elles permettent la récupération des anomalie par le noyau Par exemple, allouer des ressources aux programmes qui demandent des ressources inexistantes

50 Traitement des interruptions Lors d'une interruption, le processeur exécute une routine du noyau mise en place lors de l'initialisation du système User mode Programme 1 Appel Programme 1 système interruption horloge Programme 2 Kernel mode Routine du noyau Retour d'interruption Routine du noyau Retour d'interruption

51 Appels systèmes Ce sont des fonctions dont : L'appel se fait dans un programme en user mode L'exécution se fait en mode kernel Le retour se fait dans le programme appelant en user mode L'appel se fait par une interruption logicielle unique (0x80) Cette interruption permet de passer en mode noyau Les appels systèmes sont numérotés Une table permet de faire la correspondance entre le numéro de l'appel et la fonction du noyau à appeler

52 Linux 0.01 Les appels systèmes sont disponibles dans la glibc #define _syscall0(type,name) \ type name(void) \ { \ type res; \ asm volatile ("int $0x80" \ : "=a" ( res) \ : "0" ( NR_##name)); \ if ( res >= 0) \ return res; \ errno = res; \ return 1; \ }

53 Chemin de contrôle du noyau Un chemin de contrôle du noyau (kernel control path) est la séquence d'instruction exécutée par le noyau pour répondre à une interruption Plusieurs chemin de contrôle peuvent être entrelacés Un processus demande une ressource non disponible immédiatement, et un autre processus est exécuté à la place Une interruption est levée pendant l'exécution d'un chemin de contrôle Noyau réentrant obligatoire