Introduction aux systèmes d exploitation

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1 Introduction aux systèmes d exploitation Le système d exploitation est un ensemble de logiciels qui pilotent la partie matérielle d un ordinateur. Les principales ressources gérées par un système d exploitation sont: les processus la mémoire les périphériques les fichiers Il a pour but de protéger le système et ses utilisateurs de fausses manipulations et d offrir une vue simple et uniforme de la machine et de ses ressources. Applications Shell Noyau Matériel Figure 1: Organisation en couches des systèmes d exploitation Comme l illustre la Figure 1, le système d exploitation est composé essentiellement de deux couches : le noyau, qui est la partie fondamentale du système d exploitation, gère les ressources de l ordinateur en fournissant des mécanismes d abstraction du matériel, notamment de la mémoire, du processeur, et des périphériques. le shell ou interpréteur de commandes qui permet d accéder aux fonctionnalités du système d exploitation. Une interface graphique permet également de manipuler les fichiers et répertoires, d agir sur la configuration, de lancer des applications. 1

2 1 Notion de processus Un des rôles du système d exploitation est de distribuer harmonieusement le temps disponible entre différents programmes en train de s exécuter, appelés processus. En environnement multitâche, le temps processeur est partagé entre les différents processus prêts à l exécution. Il n y a pas simultanéité réelle entre les exécutions des différents processus, mais ceux-ci sont exécutés par morceaux. Chaque processus consomme des ressources et, pour les obtenir, entre en concurrence avec d autres demandes. Le système d exploitation arbitre les demandes de ressources des différents processus et les satisfait en se conformant à une stratégie qui vise à satisfaire plusieurs impératifs : assurer le fonctionnement correct de l ordinateur distribuer les ressources de telle sorte que tous les processus puissent s exécuter normalement établir une protection étanche entre les domaines des différents processus Le système doit être capable de retirer le contrôle du processeur à un processus pour le donner à un autre. La partie du noyau du système qui fait cela est l ordonnanceur ou programmateur (en anglais scheduler). L ordonnanceur intervient à un moment où tous les processus sont en attente. Certains peuvent être exécutés, c est-à-dire qu ils ne sont pas en attente d un événement tel que la disponibilité d un périphérique, d autres non. Le rôle de l ordonnanceur est de sélectionner parmi les processus prêts celui qui va être activé. La méthode de sélection peut dépendre de plusieurs paramètres : le délai d attente déjà écoulé, le niveau de priorité, etc. Puis l allocateur (en anglais dispatcher) remet effectivement en activité le processus sélectionné en restaurant son contexte d exécution (état des différents registres). Afin de protéger le système d exploitation et la machine de fausses manipulations, le processeur fonctionne en deux modes, un mode utilisateur et un mode système. Le mode utilisateur correspond au mode de fonctionnement habituel d un programme. Dans ce mode, seul l accès à la mémoire allouée au programme est autorisé. Pour accéder aux autres ressources, il faut effectuer un appel système. Le mode système correspond à un mode privilégié dans lequel l accès à toutes les ressources de la machine est permis. Le noyau du système est chargé en mode système à l initialisation de la machine. C est ce noyau, réputé fiable, qui effectue les opérations privilégiées. 2 Mémoire virtuelle La mémoire virtuelle permet l utilisation du disque dur dans le but que des programmes puissent s exécuter dans un environnement matériel possédant moins 2

3 de mémoire centrale que nécessaire. Ainsi, la mémoire virtuelle permet à un programme d avoir un espace mémoire logique supérieur à la taille de la mémoire physique disponible. Elle repose sur les mécanismes suivants : La mémoire virtuelle est formée de zones de même taille, appelées pages (4ko). Le processeur manipule des adresses virtuelles qui indiquent la page et la position dans celle-ci d un mot recherché. Une table de pages permet de convertir les adresses virtuelles en adresses physiques : soit la page recherchée est déjà en mémoire centrale, et l information est directement renvoyée au processeur soit la page est sur le disque dur. Dans ce cas, la page est d abord recopiée en mémoire centrale puis l information est envoyée au processeur. CPU numéro de page déplacement Table des pages Mémoire centrale adresse xxx Pas en mémoire Figure 2: Mécanismes de gestion de la mémoire virtuelle Lorsqu un bloc mémoire est inutilisé, le noyau le recopie sur le disque dur, et ainsi la mémoire vive peut être utilisée pour autre chose. Quand ce contenu est à nouveau nécessaire, il est relu en mémoire depuis le disque dur (voir Figure 2). Tout ceci se déroule de façon transparente pour l utilisateur. Bien sûr, lire et écrire sur le disque dur est plus lent (de l ordre de plusieurs milliers) qu en utilisant la mémoire réelle et donc on peut parfois observer un ralentissement dans l exécution de la machine. La partie du disque dur utilisée comme mémoire virtuelle est appelée espace de swap (échange). 3

4 3 Gestion des périphériques Le mécanisme d interruption permet à un périphérique d interrompre le processeur pour lui signaler un événement et/ou lui demander d effectuer une opération. Il existe différents niveaux d interruption. Le niveau d interruption détermine la priorité. Le mécanisme d interruption comporte les phases suivantes : émission du signal par le périphérique vers le processeur prise en compte par le processeur sauvegarde du contexte (valeur des registres) appel de la routine d interruption restitution du contexte Entre chaque instruction, le CPU teste s il y a eu une telle interruption. Pour pouvoir la traiter il doit en déterminer l origine. Le processeur identifie la source d une interruption par scrutation. Il parcours les contrôleurs de périphériques et lit le mot d état de chacun d eux pour savoir si le périphérique a réalisé une opération particulière : donnée reçue, donnée émise, erreur. 4 Systèmes de gestion de fichiers La mémoire centrale étant une mémoire volatile, les programmes et les données stockés dans la mémoire centrale ont besoin d être conservés de manière pérenne : c est le rôle rempli par le système de gestion de fichiers qui assure la conservation des données sur les disques durs. Le système d exploitation permet à l utilisateur de manipuler des fichiers, faisant ainsi abstraction des propriétés physiques des disques. Ainsi, un fichier ne va pas être systématiquement stocké physiquement de manière contiguë, mais le système d exploitation assure la correspondance entre le fichier tel que l utilisateur le perçoit et son stockage réel sur le disque, en utilisant une table qui contient des informations de gestion des fichiers, dont notamment, pour chaque fichier existant sur le disque, le nom logique du fichier et son adresse physique sur le disque. Le système de gestion de fichiers a pour rôle d organiser les données sur les disques durs afin d optimiser les temps d accès aux données. Le temps d accès sur le disque dur est plusieurs milliers de fois supérieur au temps d accès à la mémoire. Toute optimisation a donc un impact important en terme de performances. Le formatage du disque est une étape nécessaire à son utilisation. On distingue en réalité deux niveaux de formatage : le formatage dit de bas niveau qui consiste à subdiviser le disque en pistes et secteurs, très généralement de 512 octets 4

5 le formatage logique qui est dépendant du système d exploitation utilisé. Lors de cette étape, on a : l écriture du secteur d amorce des partitions, le repérage des zones endommagées, l écriture du système de fichiers proprement dit. Le système gère également le droit d accès aux ressources (fichiers, répertoires) par le biais de comptes utilisateurs. Un fichier physique est constitué d un ensemble de blocs physiques. On ne connaît pas a priori la taille que va prendre ce fichier. Il faut alors utiliser une méthode d allocation des blocs physiques qui permettent aux fichiers d être étendus. Nous allons considérer deux méthodes d allocation : par blocs chaînés et par indexation. 4.1 Allocation par blocs chaînés C est le système originellement choisi par Windows. Il consiste à utiliser une table d allocation des fichiers (File allocation table - FAT) qui indique pour chaque bloc d un fichier, l adresse du bloc suivant. Le parcours de la table permet l accès au fichier (voir Figure 3). Figure 3: Adressage direct et indirect des inodes UNIX. Le temps d accès aux différents blocs du fichier est assez long avec cette méthode. 4.2 Allocation indexée Le Système de Gestion de Fichiers sous Unix/Linux matérialise chaque fichier par une inode et des blocs du disque. L inode est une structure contenant 5

6 les informations suivantes : propriétaire, type (régulier, répertoire,...), droits accès, date d accès (de modification, de création), compteur de référence, taille, localisation des données. Figure 4: Adressage direct et indirect des inodes UNIX. Un inode contient 13 adresses sur le disque, sous la forme de 13 numéros de blocs. Les dix premières adresses sont des adresses qui pointent directement sur les blocs de données du fichier. Les autres sont des adresses indirectes vers des blocs de données contenant des adresses. La Figure 4 nous montre les trois niveaux d indirection. L intérêt de cette représentation est d économiser sur la taille des inodes tout en permettant un accès rapide au petits fichiers (la majorité des fichiers sont petits). Mais en laissant la possibilité de créer de très gros fichiers. L accès aux blocs de données prend au maximum 4 accès disque. 6

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