Introduction aux systèmes d exploitation

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1 Introduction 1 Introduction aux systèmes d exploitation Alexandre Sedoglavic & Jean-François Roos http :// sedoglav/os/ (support de cours, td et tp ; références : bibliographie et url ; informations pratiques : calendrier, etc.) Alexandre.Sedoglavic@lifl.fr

2 Introduction 2 Plan de la séance Introduction Plan général du cours Aperçu de certaines fonctions d un OS Architectures d un OS Petite taxinomie des OS : des technologies communes mais des politiques différentes À propos du choix du langage C pour illustrer le cours

3 Présentation : programme d applications vs programme d exploitations 3 On peut répartir les programmes en deux grandes catégories : les programmes d applications qui accomplissent des tâches souhaitées par l utilisateur (calculs scientifique, base de données, bureautique, etc.) les programmes systèmes qui permettent l exploitation des ressources de l ordinateur (processeurs, mémoire, terminaux, clavier, disques, coexistence de plusieurs applications, etc.) Utilisateur 1... Utilisateur n Calculs Base de données Bureautique Compilateur interpréteur Système d exploitation Langage machine Dispositif physique } Applications } Système } Matériel

4 Petit historique sommaire de l influence du matériel sur les OS : Programmation en langage machine Pas d OS. 1950, Invention du transistor : Séparation entre concepteurs, constructeurs, programmateurs et opérateurs Traitement par lots. 1960, Circuits intégrés : Interaction utilisateurs/système Partage du temps. 1965, Loi de Moore : le nombre de transistors d un circuit intégré double tous les 18 mois :-) : Ordinateurs personnels Réseau. 1995, Loi de Myhrvold : la taille des logiciels augmente jusqu aux limites imposées par la loi de Moore :-( Que nous réserve ce début de siècle? Convergence, mobilité, etc.

5 Plan général du cours 5 1. Introduction Généralité sur les OS (Operating Systems) ; 2. Systèmes de fichiers (File System) : abstraction du point de vue utilisateur (fichier, arborescence, répertoire, montage, etc.) ; implantation de ces abstractions par le FS (structures de données : inœud, FAT, structure d un volume). 3. Mémoire vive : structures de données permettant de gérer cette mémoire (pagination et segmentation) ; 4. Notion de processus : vie et mort d un processus ; 5. Communication Inter Processus (IPC) : Synchronisation de processus (sémaphore, etc.) ; Médias de communications : tubes, mémoire partagée, etc. 6. Ordonnancement : gestion de la communauté des processus ; 7. Socket et rudiment de réseaux ; 8. Quelques mots sur la sécurité.

6 Format de l enseignement et objectifs 6 Objectifs : afin de savoir utiliser les outils logiciels, on se propose de comprendre l architecture des systèmes d exploitation ainsi que leurs rôles et leurs actions ; s initier à leurs utilisations par le biais des appels système POSIX (Portable Operating System Interface). Organisation : Cours : 13 x 1h30 en amphi td : 12 x 1h30 dont une évaluation tp : 12 x 1h30 dont une évaluation Pas de TD ni de TP cette semaine La page web http :// donne accès aux transparents du cours (autant que faire ce peut) ; au support de travaux pratiques ; à des références bibliographiques. Contrôle de connaissances : Examen final, TD, TP et Projet

7 Deux définitions : système et abstraction 7 n est pas inutile de s attarder sur les définitions de trois mots qui seront systématiquement utilisés par la suite : Système : composé de parties coordonnées entre elles. gr. sustêma ensemble (le verbe systeô signifie attacher ensemble). Abstraction : opération par laquelle, dans un objet, on isole un caractère pour ne considérer que ce caractère. la. abs séparation trahere tirer. Virtuel : Qui est seulement en puissance et sans effet actuel. Se dit des éléments d un système informatique considérés comme ayant des propriétés différentes de leurs caractéristiques physiques la. virtus vertu.

8 I Aperçu de certaines fonctions d un OS 8 principes de fonctionnement des OS (Operating Systems) : traitement par lots, multiprogrammation, temps partagé, parallèle, temps réel, distribué, transactionnel, etc. Un OS réalise principalement 4 types de tâches : 1. gestion des fichiers (implantation, organisation et désignation) ; 2. gestion de la mémoire (idem) ; 3. gestion des processus (gestion, création, coopération) ; 4. gestion des périphériques d entrées-sorties et du matériel. De très nombreux OS sont disponibles : Linux, MacOS (X), MS-DOS, Unix, Windows, Windows NT, etc. La plupart sont indépendants de l architecture matériel. D autres ne fonctionnent que sur un type de machine (VMS sur VAX (architecture 64 bits de Compac-Digital), OS temps réel, etc).

9 I Plan de la séance 9 1. Présentation prologue historique plan général du cours et format de l enseignement trois définitions : système, abstraction et virtuel foisonnement des OS 2. Aperçu de certaines fonctions d un OS et points communs gérer le matériel fournir une interface plus facile à programmer que le matériel gestion des ressources entre plusieurs processus autres services : sécurités, mémoire virtuelle, etc. 3. Différents types d architectures d OS structure monolithique v.s. structure en couche structure client-serveur structure en machines virtuelles architecture réellement utilisée : structure mixte

10 I De la nécessité de gérer le matériel 10 L utilisateur ne se préoccupe pas des détails du matériel. Par exemple, pour : [sedoglav@erichtonios sedoglav]$ echo foo > bar [sedoglav@erichtonios sedoglav]$ cat bar // explicitons la circulation // de l information Moniteur processeur Contrôleur graphique contrôleur pont mémoire cache Mémoire bus PCI contrôleur de disques Interface bus d extension Clavier bus d extension Port parallèle Port séries

11 I Présenter à l utilisateur une abstraction de la machine 11 Les ordinateurs peuvent stocker une informations sur plusieurs types de supports : disques (dur, souple, optiques), bandes magnétiques, mémoire flash, etc. L OS fait abstraction des propriétés des supports physiques en définissant une unité de stockage logique : le fichier. Il établit la correspondance périphériques physiques fichiers. Abstraction par programmation en couche syst. de fichier logique module d org. de fichier syst. de fichier basique contrôle des E/S périphérique répertoire, fichier, etc. Autre exemple : abstraction de la mémoire. traduit les adr. de bloc log. en adr. de bloc phys. commande au contrôleur l écriture, la lecture gère l opération de transfert des shannons disque dur (16 plat., 4000 cyl., 200 sect., 2 14 oct.)

12 I Présenter à l utilisateur une machine virtuelle 12 L OS permet de manipuler simplement des objets complexes. Complexité des fichiers : la taille maximum d un fichier est 2 64 octets. Si on suppose ce fichier imprimé en binaire et qu un bit occupe 1mm, l impression occuperait la distance à Alpha du Centaure et retour. Sous Linux, les périphériques d E/S sont accessibles par des fichiers. [sedoglav@erichtonios sedoglav]$ tty /dev/pts/0 [sedoglav@erichtonios sedoglav]$ echo foo > bar [sedoglav@erichtonios sedoglav]$ cp bar /dev/pts/0 cp: overwrite /dev/pts/0? y foo [sedoglav@erichtonios sedoglav]$ À partir d une seule machine physique, l OS fournit une machine virtuelle pour chaque utilisateur et en partie une machine virtuelle pour chaque processus.

13 I Gérer les ressources au service des processus gérer la pénurie 13 Processus : abstraction d un programme en cours d exécution. Gestion locale : création de processus, synchronisation et communication entre les processus (ls /dev less), terminaison de processus. Temps partagé. La vitesse de frappe au clavier est bien inférieure à celle de fonctionnement d un microprocesseur la plupart du temps, les programmes attendent un événement extérieur. Idée : Entrelacer l exécution des programmes : quand un programme est en attente l OS donne la main à un autre. Problème : répartir équitablement et efficacement les ressources. Que faire lors du blocage de ressources (un utilisateur ne peut éditer un fichier ouvert par un autre)?

14 I Autres services : sécurité, mémoire virtuelle, collecte d informations, etc. 14 Sécurité : contrôle d accès aux ressources. L OS assure une protection contre les erreurs et disfonctionnements pour garantir l intégrité des données (détection des pannes, des appels mémoires interdits) ; Il assure la protection du matériel contre des utilisations qui pourrait l endommager ; Il définit des droits d accès pour chaques utilisateurs ; et peut même être conçu pour authentifier l utilisateur (Palladium (NGSCB) dans longhorn). L OS gère une relativement petite mémoire physique en conjonction avec de l espace disque de manière à œuvre comme si l espace mémoire était bien plus vaste. Il crée ainsi une mémoire virtuelle capable de grande capacité.

15 I Autres services : sécurité, mémoire virtuelle, collecte d informations, etc. 15 L OS peut collecter des statistiques d utilisation des ressources : pour, à partir des paramètres de performance, anticiper afin d améliorer le fonctionnement ; plus pragmatiquement, pour permettre la facturation d un service dans un contexte multi-utilisateurs. L OS peut fournir aux programmes utilisateurs une série de fonctions API (Application Programming Interface) codifiées POSIX (Portable Operating System Interface).

16 Architectures d un OS 16 Le système d exploitation est une collection de procédures, pouvant interagir à chaque moment. On peut les garder groupées dans une structure monolithique mais... Bénéfice rapide et compact Inconvénient difficilement gérable et modifiable De plus, en programmation structurée on a l organisation : programme principal qui appelle la procédure de service requise ; ensemble de procédures et de services qui exécutent les appels ; procédures auxiliaires de gestion interne. Enfin, pour la fiabilité, on utilise 2 modes de fonctionnements : mode noyau : toutes les instructions sont autorisées (même le fatidique rm -fr /) et ont un accès direct au matériel. mode utilisateur : certaines instructions ne sont pas permises. Pour accéder au matériel, on doit faire un appel au noyau. Une structure modulaire apparaît naturellement à l usage.

17 Structure en couches 17 Une structure modulaire simple consiste à hiérarchiser les procédures en plusieurs couches, chaque couche s appuyant sur celle qui lui est immédiatement inférieure Opérateur Programme des utilisateurs Gestion des entrées-sorties Communication opérateur-processus Gestion de la mémoire et du disque Allocation des processus et gestion du processeur Chaque couche est utilisable sans connaître les couches inférieures et ne doit gérer que les communications entre ces deux voisines.

18 Structure client-serveur 18 Il est possible de moins hiérarchiser les services d un OS. Processus Serveur de Serveur de Serveur de Serveur de client processus terminal... fichiers Mémoire Noyau Conséquence : tolérance aux pannes : un disfonctionnement du serveur de fichiers n affecte pas l ensemble des processus (seulement ceux qui l utilisent) ; modularité : on peut remplacer un serveur par un autre programme plus évolué présentant les mêmes API sans tout refaire. Inconvénient principal : les protocoles de communications entre modules prennent du temps.

19 Structure en machine virtuelle : compatibilité intergénérationnelle 19 Exemple : Windows NT Des sous-systèmes environnementaux émulent différents systèmes d exploitation (MS-DOS, Windows 3.x, OS/2) : Pour ce faire, il présente aux applications tous les appels systèmes de ces OS (plus les appels POSIX). NT assure la compatibilité au niveau du code source mais sans permettre les appels directs aux matériels (existant dans DOS par exemple). Sur un Pentium, on peut faire tourner un programme MS-DOS compilé sur un 8086 ; (à condition qu il soit propre i.e. utilisation des appels système gérant le matériel plutôt que gestion directe par le programme utilisateur que DOS autorise!!!).

20 Architecture réellement utilisée : structure mixte 20 L implantation effective des OS actuels est un mélange des structures décrites jusqu à présent. Windows NT est un système client-serveur ayant un noyau monolithique et présentant des machines virtuelles DOS, Windows 3.x, etc. Parmi les sous systèmes de NT, on peut citer : l Object Manager qui sert d intermédiaire entre les applications utilisateurs et le matériel ; le Security Reference Monitor qui est invoqué à chaque accès matériel par l OM pour vérifier si l opération est permise ; l I/O Manager qui fait la liaison entre l OM et les fameux drivers qui permettent de commander aux matériels. Ces programmes tournent en mode noyau mais sont des serveurs hors du noyau monolithique.

21 Petite taxinomie des OS : des technologies communes mais des politiques différentes 21 OS propriétaire Open Source Software 1960 compilateurs (groupes d utilisateurs organisés par les constructeur) 1965 DOS (IBM) MULTICS (Bell+GE+MIT) 1967 OS/360 (IBM) 1969 UNIX (Bell lab) 1970 paradigme GUI (Xerox PARC) 1975 paradigme micro-ordinateur (ALSTAIR, plus tard IBM PC (1981)) 1976 CP/M (Digital research) 1977 VMS (Digital research) 1981 MS-DOS (Microsoft) développement considérable 1984 Mac OS (Apple) de nouveaux concepts et de versions 1985 OS/2 (IBM + Microsoft) Windows 1.0 (Microsoft) 1990 Windows 3.0 (Microsoft) 1991 Linux 1993 Windows NT (Microsoft) 1999 Mac OS change de politique

22 Pourquoi le cours ne se déroule-t-il pas sous un OS propriétaire 22 La politique de libre circulation des connaissances est un fondement de l économie de leurs élaboration : politique qui à rapport aux affaires publiques ; économie bon ordre dans la conduite de tout établissement qui s alimente par la production et la consommation. Pour se préserver, certains éditeurs entravent ces échanges pour promouvoir leurs produits ce qui a comme conséquence une augmentation des coûts pour la communauté (balkanisation des produits, incompatibilité entre systèmes). Dans ce cadre, l utilisateur n a aucune possibilité d agir sur les produits d une société (de plus, cette dernière spécifie qu elle ne peut être tenue pour responsable de ses erreurs). Le développement de connaissance nécessite la liberté de copie, d utilisation et de modification.

23 I À propos du choix du langage C pour illustrer le cours 23 Historiquement, la plupart des OS sont écrit en C car : sa sémantique est claire et il est efficace ; il permet l accès à tous les composants de bas niveau de la machine ; son mécanisme d allocation mémoire est explicite ; le langage C ainsi que les bibliothèques standard sont normalisés. D autres approches sont possibles (langages dédiés, Java, OCaml, etc). Il ne faut pas confondre bibliothèques standard et appels système : appels système : pas d édition de liens mais seulement exécution de code de l OS ; bibliothèques standard : édition de liens.