Objectifs du cours d aujourd hui. Informatique I : Cours d introduction à l informatique et à la programmation INTRODUCTION (2)

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1 Objectifs du cours d aujourd hui Informatique I : Cours d introduction à l informatique et à la programmation INTRODUCTION (2) Terminer la présentation générale d un ordinateur : les aspects logiciels Étudier plus particulièrement la gestion des fichiers Présenter un (court) historique des ordinateurs Jamila Sam Haroud Laboratoire d Intelligence Artificielle Faculté I&C Informatique I Introduction (2) 1 Informatique I Introduction (2) 2 Aspects logiciels d un ordinateur Aspects logiciels d un ordinateur applications / services tableur traitement de texte jeux logiciel de dessin gestionnaire d imprimante compilateur... applications / services interpréteur de commandes gestionnaire de fenêtres (DOS) sh bash X11 fvwm (Windows) (MacOS)... Informatique I Introduction (2) 3 Informatique I Introduction (2) 3

2 Aspects logiciels d un ordinateur Classes de Logiciels applications / services système d exploitation interpréteur de commandes gestionnaire de fenêtres (DOS) Linux OpenBSD FreeBSD Solaris (Windows)... (MacOS) Au fil des années, une spécialisation progressive des logiciels s est réalisée : logiciels d application traitement de tâches spécifiques aux utilisateurs traitements de textes, tableurs, logiciels de comptabilité, CAO,... logiciels utilitaires servant au développement des applications assembleurs, compilateurs, dévermineurs, gestionnaires de versions, gestionnaires de fenêtres, librairies d outils,... logiciels systèmes regroupés dans le système d exploitation présents au cœur de l ordinateur, ces logiciels sont à la base de toute exploitation, coordonnant les tâches essentielles à la bonne marche du. C est du système d exploitation que dépend la qualité de la gestion des ressources (processeur, mémoire, périphériques) et la convivialité de l utilisation d un ordinateur. Informatique I Introduction (2) 3 Informatique I Introduction (2) 4 Plan Système d Exploitation Système d Exploitation («SE», «OS» en anglais) : ensemble des programmes relatifs à l exploitation de l ordinateur applications / services système d exploitation interpréteur de commandes Concrètement, deux tâches distinctes : Gérer les ressources physiques de l ordinateur assurer l exploitation efficace, fiable et économique des ressources critiques (processeur, mémoire) Exemple : interaction avec le disque dur gestionnaire de fenêtres Gérer les interactions avec les utilisateurs faciliter le travail des utilisateurs en leur présentant une machine plus simple à exploiter que la machine réelle (concept de «machine virtuelle») Exemple : gestion d un clic de souris Informatique I Introduction (2) 5 de nos jours : plusieurs dizaines systèmes d exploitation (Linux, Solaris, VMS, MacOS X, OpenBSD, FreeBSD, BeOS,...) Informatique I Introduction (2) 6

3 Caractéristiques des systèmes d exploitation Mono-tâche À tout instant, un seul programme est exécuté ; un autre programme ne démarre que lorsque le premier est terminé. Mono-utilisateur Au maximum un utilisateur à la fois sur la machine. Parfois, les systèmes réseaux permettent de différencier plusieurs utilisateurs possibles, mais chacun d eux n utilise la machine que de manière exclusive. Multi-tâches Plusieurs programmes (ou «processus») peuvent s exécuter simultanément (systèmes multi-processeurs) ou en quasi-parallélisme (systèmes à temps partagé) Multi-utilisateurs Plusieurs utilisateurs peuvent travailler simultanément sur la même machine. DOS Windows 95/98 VMS, UNIX/Linux Le système d exploitation utilisé en salle de TP est un système de type Unix : «linux 2.4» Informatique I Introduction (2) 7 Architectures multi-utilisateurs Utilisateurs et groupes identifier les personnes pouvant travailler avec le système, pour assurer la confidentialité de leur données (et parfois de leur facturer les ressources utilisées) 2 «entités» : les utilisateurs, et les groupes d utilisateurs Administrateur(s) group2 user2 group1 user1 Les groupes permettent de définir des droits communs à un ensemble d utilisateurs (quelles ressources utilisables, dans quelles limites, quels droits d accès,...) Chaque utilisateur appartient à au moins 1 groupe (Essayez la commande groups) Informatique I Introduction (2) 8 Quotas Structure en couches d un SE moderne Plusieurs personnes utilisent les mêmes ressources s assurer qu aucun utilisateur ne les monopolise (au détriment des autres) Par exemple avec les disques durs : Le «quota disque» représente l espace maximal qu un utilisateur peut occuper sur le disque Lorsqu un utilisateur a «atteint son quota», le système refusera toute tentative conduisant à une augmentation de l espace utilisé. Pour vérifier votre utilisation d espace disque, utilisez la commande : quota -v gestionnaires de périphériques («drivers») gestion fichiers gestion mémoire noyau gestion entrées/sorties Informatique I Introduction (2) 9 Informatique I Introduction (2) 10

4 Structure en couches d un SE moderne gestion fichiers Le noyau («kernel» en anglais) Les fonctions principales du noyau (d un SE multi-tâches) sont : Gestion du processeur : gestionnaires de périphériques («drivers») gestion mémoire noyau gestion entrées/sorties reposant sur un alloueur/répartiteur (dispatcher) responsable de la répartition du temps processeur entre les différents processus, et un planificateur (scheduler) déterminant les processus à activer, en fonction du contexte. Gestion des interruptions Gestion du multi-tâches Informatique I Introduction (2) 10 Informatique I Introduction (2) 11 Le noyau Le noyau («kernel» en anglais) Les fonctions principales du noyau (d un SE multi-tâches) sont : Gestion du processeur Gestion des interruptions : les interruptions sont des signaux envoyés par le, à destination du logiciel, pour signaler un évènement. Gestion du multi-tâches («kernel» en anglais) Les fonctions principales du noyau (d un SE multi-tâches) sont : Gestion du processeur Gestion des interruptions Gestion du multi-tâches : simuler la simultanéité des processus coopératifs (i.e. les processus devant se synchroniser pour échanger des données) gérer les accès concurrents aux ressources (fichiers, imprimantes,...) Informatique I Introduction (2) 11 Informatique I Introduction (2) 11

5 Le noyau («kernel» en anglais) Les fonctions principales du noyau (d un SE multi-tâches) sont : Gestion du processeur Gestion des interruptions Gestion du multi-tâches Plan Terminer la présentation générale d un ordinateur Étudier plus particulièrement la gestion des fichiers Présenter un historique des ordinateurs Du fait de la fréquence élevée des interventions du noyau, il est nécessaire qu il réside en permanence et en totalité dans la mémoire centrale. Son codage doit donc être particulièrement soigné, pour être à la fois performant et de petite taille. Informatique I Introduction (2) 11 Informatique I Introduction (2) 12 Système de fichiers Le concept de fichiers est une structure adaptée aux mémoires de masse permettant de regrouper des données. Un fichier c est une collection ordonnée de données, représentant une entité pour l utilisateur. Le système d exploitation va donner corps au concept de fichiers, c est-à-dire les gérer : les créer, détruire, modifier, lire, et offrir la possibilité de les désigner par des noms. Dans le cas de systèmes multi-utilisateurs, il faut de plus assurer la confidentialité de ces fichiers, en protégeant leur contenu du regard des autres utilisateurs. Système de fichiers (2) Pour assurer la gestion des fichiers, un système d exploitation utilise un (voire plusieurs) système(s) de fichiers («file system»). C est le système de fichiers qui détermine les structures internes utilisées pour organiser les fichiers. Parmi les nombreux systèmes de fichiers, citons : FAT, VFat, HPFS, NTFS (Dos & Windows), Ext, Ext2, Ext3, (Linux) ISO9600, UDF, UFS, Joliet, RockRidge (pour les CD), SystemV, VxFS, Spiralog (Solaris, VMS) NFS (Network File System : pour les réseaux) Informatique I Introduction (2) 13 Informatique I Introduction (2) 14

6 Structuration d un système de fichiers Grand nombre de fichiers fournir un moyen pour organiser ces fichiers. concept de répertoire (ou «directory») Un répertoire est une collection (généralement non ordonnée) de fichiers ou de répertoires (alors appelés sous-répertoires). Ils permettent d organiser l ensemble des fichiers dans une structure arborescente Structuration d un système de fichiers Grand nombre de fichiers fournir un moyen pour organiser ces fichiers. concept de répertoire (ou «directory») = un répertoire = un fichier Informatique I Introduction (2) 15 Informatique I Introduction (2) 15 Structuration d un système de fichiers Nommage des fichiers : absolu et relatif Grand nombre de fichiers fournir un moyen pour organiser ces fichiers. concept de répertoire (ou «directory») En plus de la notion de répertoire, la plupart des systèmes permettent également de définir des liens symboliques vers des fichiers ou des répertoires («soft links» avec UNIX/Linux, ou «raccourcis» dans d autres systèmes), qui permettent de définir des «alias» (i.e. autres noms) permet d assouplir la structure d arbre On appelle «chemin» la succession des répertoires conduisant à un fichier, à partir d un endroit donné dans l arborescence. Pour désigner un fichier, il est possible de procéder de deux manières : à l aide d un chemin absolu : on prend comme convention un parcours de l arbre partant de la racine Dans le cas de plusieurs arbres («forêt»), le nom du lecteur est tout d abord spécifié (i.e. on désigne la racine de l arbre). / home julie marc cours tmp /home/julie/cours/a a Informatique I Introduction (2) 15 Informatique I Introduction (2) 16

7 Nommage des fichiers : absolu et relatif On appelle «chemin» la succession des répertoires conduisant à un fichier, à partir d un endroit donné dans l arborescence. Pour désigner un fichier, il est possible de procéder de deux manières : à l aide d un chemin relatif : c est la succession des répertoires à traverser, à partir d un autre répertoire de l arborescence Nommage des fichiers (2) Le répertoire parent d un sous-répertoire est désigné par.., tandis que le répertoire lui-même est désigné par. Là y a un point et là deux Exemples de noms de fichiers («chemins») : /home/sam/work/cours/informatique/info1/introduction2.tex../images/paysages.gif../../../toutlahaut.ps.gz / home cours/a julie cours marc tmp../julie/cours/a a Sous UNIX/Linux, le délimiteur entre nom de répertoire et nom de fichier dans les chemins est la barre oblique «slash» : / D autres systèmes utilisent l «antislash» ou «backslash» : \ D:\Users\Chaps\Personnal Documents\introduction2.pdf Informatique I Introduction (2) 16 Informatique I Introduction (2) 17 Système de fichiers UNIX/Linux Système de fichiers UNIX/Linux Chaque utilisateur possède un répertoire personnel («home directory») dans lequel il peut placer ses fichiers personnels. C est la racine du sous-arbre réservé spécifiquement à un utilisateur Les noms de fichiers possèdent généralement une extension, délimitée par un. Là aussi y a un point Cette extension peut être utilisée pour indiquer la nature du fichier, c est-à-dire l application à laquelle il est associé. Contrairement à d autres systèmes d exploitation, sous UNIX/Linux les fichiers peuvent avoir 0, 1 ou plusieurs extension(s). Chaque utilisateur possède un répertoire personnel («home directory») dans lequel il peut placer ses fichiers personnels. C est la racine du sous-arbre réservé spécifiquement à un utilisateur Les noms de fichiers possèdent généralement une extension, délimitée par un. Là aussi y a un point Cette extension peut être utilisée pour indiquer la nature du fichier, c est-à-dire l application à laquelle il est associé. Contrairement à d autres systèmes d exploitation, sous UNIX/Linux les fichiers peuvent avoir 0, 1 ou plusieurs extension(s). Exemples : series.cc : fichier de code source C++ Exemples : cours-1.ps.gz 1 re extension indiquant un fichier Postscript 2 e extension indiquant un fichier compressé avec gzip Informatique I Introduction (2) 18 Informatique I Introduction (2) 18

8 Plan Interpréteur de commandes (1) Pour interagir avec l utilisateur, un système informatique doit disposer au minimum d un interpréteur de commandes («shell») applications / services système d exploitation interpréteur de commandes gestionnaire de fenêtres Contrairement à d autres architectures moins modulaires, l interpréteur de commandes (ainsi que le gestionnaire de fenêtres) des systèmes de type UNIX est un composant externe au SE. Ne faisant pas directement partie du système, ils peuvent être changés à souhait. Le shell attend les ordres que l utilisateur transmet par le biais de l interface, décode et décompose ces ordres en actions élémentaires, et finalement réalise ces actions en interagissant avec le système d exploitation. Parmi les shells Unix les plus utilisés, citons : Bourne [Again] shell (sh et bash), C shell (csh), Z shell (zsh), et celui présent par défaut sur les comptes du cours, l Enhanced C shell (tcsh). Informatique I Introduction (2) 19 Informatique I Introduction (2) 20 Interpréteur de commandes (2) Pour faciliter le travail de l utilisateur, les interpréteurs de commandes offrent (entre autres) la possibilité de définir des variables d environnement, de renommer ou définir de nouvelles commandes («alias»), etc... La plupart offrent également des facilités d édition comme le rappel des commandes précédentes (historique des commandes), la complétion (complète le nom du fichier lorsqu il n y a plus d ambiguïté), la correction en cas de commande invalides,... Fichiers et shell (1) Un certain nombre des fonctions du shell sont relatives au système de fichiers : Navigation dans la structure des fichiers : notion de répertoire courant, modification de ce répertoire (cd = change directory), lister le contenu d un répertoire (ls), de copier des fichiers (cp), de les déplacer (mv), les effacer (rm), faire des liens (ln), etc... Toutes les commandes soumises au shell sont interprétées relativement au répertoire courant. Tous les systèmes d exploitation permettent par ailleurs, en plus de l interaction «directe» (au moyens de terminaux ou de consoles dans le cas d Unix), le traitement différé («en batch») des commandes. On peut également regrouper plusieurs commandes dans un fichier alors appelé «script». Informatique I Introduction (2) 21 Informatique I Introduction (2) 22

9 Fichiers et shell (1) Un certain nombre des fonctions du shell sont relatives au système de fichiers : Utiliser des raccourcis lors du nommage des fichiers et répertoires,? peut être utilisé comme substitut de 1 caractère * sert à substituer une chaîne de caractères quelconque cours-?.ps.gz cours-1.ps.gz cours-2.ps.gz... cours-a.ps.gz cours-* cours-1.pdf cours-1.ps.gz cours-10.ps.gz cours-2.ps.gz... cours-a.tex cours-a.ps.gz Attributs de fichiers (1) Les attributs typiques d un fichier sont : son nom sa taille la date et heure de création le propriétaire (créateur) les droits d accès des autres utilisateurs modifiable, exécutable, caché,... système, possédant des alias,... la date et l auteur de la dernière révision, no de version (système VMS), Informatique I Introduction (2) 22 Informatique I Introduction (2) 23 Attributs de fichiers (2) Attributs de fichiers (2) Dans le cas des systèmes de type Unix : On distingue les fichiers cachés au moyen d une convention de nommage : ils sont préfixés par un. Encore un point! Exemple :.cshrc (utilisez la commande ls -a pour voir les fichiers cachés) A chaque fichier est associé un utilisateur propriétaire (le créateur du fichier) et un groupe propriétaire (l un des groupes auxquels appartient l utilisateur) Informatique I Introduction (2) 24 Dans le cas des systèmes de type Unix : Les droits d accès définissent 3 attributs, et sont paramétrables pour 3 classes d utilisateurs : Attributs : Classes d utilisateurs : Visibilité (lecture) Propriétaire (owner ou user) Modification (écriture, effacement) Groupe (group) Exécution Autres (others) Syntaxe : chmod (u g o a)+ + - (r w x)+ User + : ajouter Read Group - : supprimer Write Other execute All (a=ugo) Exemples : chmod a+x monscript.sh chmod go-r perso c est-à-dire au moins une fois chmod o-r chmod go+rx chmod a+w tout le monde peut exécuter ce fichier les autres que moi n ont pas le droit de lire ce fichier/répertoire Informatique I Introduction (2) 24

10 La préhistoire (1) Plan I Terminer la présentation générale d un ordinateur -500 Les premiers outils de calculs datent de plusieurs milliers d années : bien avant l ère Chrétienne, les civilisations méditerranéennes utilisent l abaque, tandis que le boulier est d usage en Chine et au Japon. I Étudier plus particulièrement la gestion des fichiers I Présenter un historique des ordinateurs 1614 Neper présente sa théorie des logarithmes ; les tables de Neper permettent de transformer des multiplications compliquées en simple additions Invention de la règle à calcul, utilisant les tables de Neper. Ce dernier met également au point un système non logarithmique basé sur le déplacement de tiges (connues sous le nom de Bâtons ou Os de Neper) Schickard utilise le principe de déplacement des tiges pour construire une machine à calculer. La machine sera malheureusement perdue au cours de la guerre de Trente Ans. FÉ DÉR A L E D E L A U S A N N E FÉ DÉR A L E D E L A U S A N N E c EPFL Informatique I Introduction (2) 25 c EPFL La préhistoire (2) Les précurseurs (1) 1642 Pascal (agé alors de 19 ans) présente la première version de la Pascaline, machine permettant d effectuer des additions et soustractions avec des nombres de 6 chiffres (par la suite, ajout de 2 chiffres fractionnaires) Charles Babbage construit un prototype de machine pour le calcul et l impression de tables numériques nécessaire à la navigation et à la balistique. Sa machine à différences n utilise qu un seul algorithme prédéterminé (différences finies de polynômes), mais c est la restitution des résultats gravage d un plateau de cuivre par un timbre en acier qui est intéressante. Pendant 10 ans, il tentera de construire un modèle utilisable, sans toutefois y parvenir Leibniz modifie la Pascaline en lui ajoutant les multiplications Falcon construit une commande de métier à tisser à l aide d une planchette de bois munies de trous Babbage entame une réalisation plus ambitieuse encore, la Machine Analytique, conçue pour effectuer des séquences d opérations arithmétiques, en fonctions d instructions données par l utilisateur. Melle Ada Augusta s évertue à écrire les programmes nécessaires au fonctionnement de la machine. Malheureusement, la machine est trop complexe et ambitieuse pour la technologie de l époque. + Il s agit de la première machine capable d exécuter un programme externe Jacquard perfectionne le système de Falcon, en remplaçant les planches par des cartes perforées. FÉ DÉR A L E D E L A U S A N N E c EPFL Informatique I Introduction (2) 26 FÉ DÉR A L E D E L A U S A N N E Informatique I Introduction (2) 27 c EPFL Informatique I Introduction (2) 28

11 Les précurseurs (2) Génération 0 :Le relais électromécanique ( ) 1854 Reprenant les spéculations de Leibniz, George Boole publie un essai intitulé «Une étude des lois de la pensée», dans lequel il expose ses idées sur la formulation mathématique des propositions logiques Publication par Alan Turing de l essai «A propos des nombres calculables», traitant des problèmes théoriquement non solubles (indécidabilité). Préfigurant les caractéristiques de l ordinateur moderne, il énonce le principe d une machine universelle, purement imaginaire, appelée depuis Machine de Turing Claude Shannon (dans son travail de diplôme!) fait le rapprochement entre les nombres binaires, l algèbre booléenne et les circuits électriques. Il prouve que les nombres binaires permettent de représenter les relations logiques, mais aussi les opérations des circuits électriques. Il permet ainsi de faire le lien entre les deux et de construire des circuits pour «calculer des expressions logiques». Informatique I Introduction (2) 29 Première génération : Le tube à vide ( ) Colossus, le premier calculateur électronique numérique vit le jour en Construit par les services spéciaux britanniques (dont Alan Turing), Colossus permet le décryptage des messages radios ennemis codés au moyen de la fameuse machine Enigma. Par ailleurs, les travaux d Eckert et Mauchly (financés par l armée américaine), aboutissent, fin 45 début 46, en la réalisation du célèbre ENIAC. Il en résultat une multitudes de projets et de machines (Johniac, Illiac, Maniac, Weizac, Edvac, l IAS, Whirlwind,...) dont l EDSAC, finalisé en 1949, qui reprend les principes énoncés en 1945 par John Von Neumann, alors consultant sur le projet ENIAC, décrivant «l architecture de Von Neumann» qui guida la conception des ordinateurs jusqu à nos jours. ) 1936 : Konrad Zuse fabrique les machines électromécaniques Z1 et Z2, fonctionnant selon le système binaire. Puis il construit un calculateur binaire universel avec relais de téléphone (le Z3, 1941). Les programmes sont introduits au moyen d un film perforé, et une multiplication dure environ 5 secondes. Le Z3 et son successeur le Z4 seront tout deux utilisés en aéronautique et en balistique. Aux USA, Howard Aiken (IBM et Harvard) réalise, entre 1939 et 1944, une énorme machine électromécanique : le Mark 1. Il est capable de multiplier deux nombres de 23 chiffres décimaux en 6 secondes, et d additionner en 3 dixièmes de secondes. Mais, avec plusieurs milliers de roulements à billes, et pièces électromécaniques, le Mark 1 se révéla obsolète avant même son achèvement. D autres chercheurs réalisèrent, pendant cette période, des prototypes de calculateurs ; parmi eux, citons encore John Atanasoff (université de l Iowa) et George Stibitz (Bell Laboratories), qui tout deux adoptèrent le système binaire. Informatique I Introduction (2) 30 Seconde génération : le transistor Début de l industrie informatique ( ) Le transistor (Bell Labs, 1948), est utilisé dans les ordinateurs, en remplacement des tubes à vide, si encombrants, coûteux et peu fiables. Les ordinateurs deviennent plus petits, plus performants. Les mini-ordinateurs apparaissent avec le PDP-1 de DEC ; Relativement bon marché, ce type d ordinateurs se vend bien, et ouvre la voie à de nouvelle applications : au MIT, on adjoindra au PDP-1 un écran de visualisation (CRT) de 512x512 points adressables il ne fallut pas longtemps pour que le premier jeu vidéo apparaisse. Informatique I Introduction (2) 31 Outre IBM et DEC, de nouvelles firmes se lancent sur le marché : HP, Data Général,... Commence alors une course effrénée vers des systèmes toujours plus performants, à des prix de plus en plus compétitifs. Informatique I Introduction (2) 32

12 Troisième génération : Le circuit intégré ( ) Les microprocesseurs font leur apparition, ce qui accélère encore la chute des prix. Le taux d intégration sur les micro-plaquettes (puces ou chips) passe en peu de temps de quelques composants à plusieurs milliers, sur une puce d une dizaine de millimètres carrés. Les premières familles d ordinateurs apparaissent (IBM 360) et avec elles le concept de compatibilité descendante (conservation possible des logiciels). Autre grande innovation : la multiprogrammation («multi-tâches préemptif»). Quelques systèmes ayant marqué cette époque : le PDP-11 de DEC, le 8080 d Intel (1 er microprocesseur), le CRAY-1 de Cray (1 er super-ordinateur), et le VAX de DEC (mini-ordinateur 32 bits). Quatrième génération : VLSI - Essor des ordinateurs personnels ( ??) La Very Large Scale Integration accélère encore le développement, en rendant possible des intégrations à des taux impressionnants, pour atteindre de nos jours plusieurs millions de composants sur une même puce. Cette génération couvre un vaste intervalle de performances et de besoins, allant des supercomputers massivement parallèles (Paragon, Cray T3D, CM), utilisés principalement pour le calcul scientifique, aux ordinateurs personnels (PS1, Atari, Mac) utilisé pour des applications de bureautique, de formation,... et de jeux. C est également cette génération qui verra l essor d unités périphériques en tout genre, et également l interconnexion des machines en réseaux. Informatique I Introduction (2) 33 Informatique I Introduction (2) 34 Évolution en images Ce que j ai appris aujourd hui Années 45~60 ENIAC Personal Computers network computer FPGA: co-proc. configurables (Hardware programmable) quels sont les principaux composants logiciels d un ordinateur les bases de la gestion des fichiers (exemples sous Linux) je vais pouvoir commencer à travailler dans un environnement de type UNIX un bref historique des machines informatiques Années 75~90 Années 2000 Cluster de PCs VAX PDP11 Années 95~00 Supers-calculateurs Années 55~80 Informatique I Introduction (2) 35 Informatique I Introduction (2) 36

13 Exercices de demain : Manipulation de fichiers La suite Commandes UNIX de base Mise en place de l environnement de travail Le prochain cours : Introduction à la programmation Débuts en C++ Les cours suivants : Apprentissage de la programmation en C++ Informatique I Introduction (2) 37