PARTIE 3. Processus, Mémoire Type SE

Transcription

1 PARTIE 3 Processus, Mémoire Type SE 64

2 Architecture vs OS Fonctionnement d un OS Connaître l architecture (machine physique) qu il gère Pourquoi? Objectif Architectures différentes Systèmes différents PC isolé, Portable, Réseau de machines, Gestion optimale des ressources d une machine Systèmes d Exploitation 65 65

3 Source: Joanna Moulierac, IUT Nice Systèmes d Exploitation 66 66

4 Source: J. Delacroix Systèmes d Exploitation 67 67

5 Processeur (1) Elément fondamental Fonction Exécuter des instructions machine Instructions codées en binaire Différentes appellations Unité Centrale (UC) Processeur (Microprocesseur) Processor CPU (Central Processing Unit) Systèmes d Exploitation 68 68

6 Processeur (2) Caractéristiques Famille (Constructeur) Intel, Motorola, ARM, MIPS, SPARC, Vitesse Définie par la fréquence (cycle) d une horloge Envoi régulier de tops au processeur Exprimée en nghz Systèmes d Exploitation 69 69

7 Processeur (3) Composants Unité de commande Unité de coordination Reconnaissance des instructions Composée de registres RI (Registre Instruction) : instruction en cours CO (Compteur Ordinal) : adresse prochaine instruction RA (Registre Adresse) RD (Registre de données) Registres généraux: R0, R1, Systèmes d Exploitation 70 70

8 Processeur (4) Unité(s) de calcul Unité Arithmétique et Logique (UAL, ALU) Unité d exécution Circuits arithmétiques (+, -, /, *) Circuits logiques (ET, OU, ) Registres d états (Indicateurs ou FLAGS) Statut des périphériques Etat d une instruction (exécution correcte, erreur) Mémoriser des événements qui se produisent durant l exécution des instructions Systèmes d Exploitation 71 71

9 Processeur (5) Unité Virgule Flottante (FPU) Calcul sur des flottants (nombres réels) Unité de Calcul Multimédia Calcul vectoriel (calcul graphique) Intel MMX, AMD 3D Systèmes d Exploitation 72

10 Processus (1) Abstraction de l exécution d un programme par un processeur Entité dynamique Evolue dans le temps Passe d un état initial à un état final Un programme est une entité statique N évolue pas dans le temps Son état (contenu) ne change pas malgré le changement du temps de la machine (horloge) Systèmes d Exploitation 73

11 Processus (2) Point de vue utilisateur Lancer un programme exécutable Système crée un processus et gère son évolution Possibilités de suivre un processus Connaître son état Progresse, Arrêté, Bloqué, Suspendu, Agir sur le processus L arrêter définitivement (Tuer le processus) Systèmes d Exploitation 74

12 Processus (3) Le suspendre puis le reprendre Moyens d action Ctrl+Alt+Del sous Windows Commandes sous Unix (ps) Seuls les processus visibles sont accessibles Exemples de processus Exécution d une application Copier un fichier Envoi d un message sur le réseau Lancer une impression Systèmes d Exploitation 75

13 Processus (4) Point de vue OS Espace d adressage Partie(s) de la mémoire centrale dans laquelle on a chargé le code (instructions) et les données du processus Etat interne du processus Compteur ordinal, fichiers ouverts, état du point de vue exécution, etc. L utilisateur peut agir sur certains éléments de cet état interne (exemple: arrêter le processus) Systèmes d Exploitation 76

14 Processus (5) Programme vs processus Exécution d un programme Par un seul utilisateur 1 programme 1 processus Par plusieurs utilisateurs Même programme Processus différents Même chose que classe d objets et instance d objet Systèmes d Exploitation 77

15 Processus (6) Source: Martin Quinson Pile : Garder trace de l exécution de fonctions (fonctions appelantes, fonctions appelées) Tas (Heap) : Zone de mémoire dynamique (créer des variables durant l exécution, allocation dynamique de mémoire) Systèmes d Exploitation 78

16 Processus (7) Création de processus 2 méthodes Par lancement d un programme Commande ou click sur l icône du programme Par exécution d instruction Création dynamique Un processus crée un autre et ainsi de suite Fonction fork() sous Unix (langage C) Méthode start() de la classe Thread de JAVA Systèmes d Exploitation 79

17 Processus (8) Hiérarchie ou arbre de processus Processus Père et processus fils Source: Martin Quinson Systèmes d Exploitation 80

18 Mémoire centrale (1) Caractéristiques Unité de stockage volatile Composée de mots mémoire Taille usuelle des mots : 32 (64) bits Adresse unique pour chaque mot Taille exprimée en multiple d une certaine unité (o= octet) Ko, Mo, Go, To, Po K=2 10 ; M=2 20 ; G=2 30 T=2 40 (Tera) ; P=2 50 (Peta) Systèmes d Exploitation 81 81

19 Mémoire centrale (2) Opérations Lecture Ecriture Temps d accès Temps moyen pour lire ou écrire une information dans un mot quelconque de la MC Systèmes d Exploitation 82 82

20 Mémoire cache (1) Mémoire intermédiaire entre le processeur et la mémoire centrale Caractéristiques Taille plus petite que celle de la mémoire centrale Technologie différente Temps d accès plus rapide que la MC Systèmes d Exploitation 83 83

21 Mémoire cache (2) Intérêt Processeur alimenté à partir de la MC Instructions + Données Différence de vitesses Temps d accès MC plus lent que celui du processeur Ralentissement du processeur Comment réduire ce ralentissement Mémoire cache Systèmes d Exploitation 84 84

22 Mémoire cache (3) Caractéristiques Taille relativement réduite Temps d accès très rapide Fonction Duplique de l information stockée en MC Rapprocher les données du processeur Eviter, le plus possible, les accès à la MC Augmenter le nombre d accès à la mémoire cache Réduire le nombre d accès à la MC Systèmes d Exploitation 85 85

23 Mémoire cache (4) Principe de fonctionnement Recherche de l information dans la mémoire cache Trouvée pas d accès à la MC Accès rapide (1 seul accès et rapide) Non trouvée accès à la MC 2 accès (mémoire cache puis mémoire centrale) Mise à jour permanente Rafraîchissement Systèmes d Exploitation 86 86

24 Mémoire Virtuelle (1) Caractéristiques d un processus Structure modulaire et non linéaire Possibilité de charger le processus par parties ou par morceaux Programme C = {Fonction Main + Autres fonctions} Programme JAVA = {Classes} Exécution d un processus Ne nécessite pas son chargement total Systèmes d Exploitation 87 87

25 Mémoire Virtuelle (2) Taille d un processus Largement supérieure à la taille de la MC Impossible de le charger totalement en MC Solutions Augmenter physiquement la taille de la MC Solution limitée par des contraintes physiques Autre solution Charger totalement un processus en mémoire secondaire Le charger partiellement en mémoire centrale pour l exécuter Systèmes d Exploitation 88 88

26 Mémoire Virtuelle (3) Nouvelle formulation du problème d allocation mémoire Contrainte de chargement total est levée Chargement partiel (selon les besoins) Exemple d un programme C Charger la fonction main Les autres fonctions seront chargées à la demande (au moment de leur appel) Réserver une partie du disque pour étendre la MC Mémoire Virtuelle Systèmes d Exploitation 89

27 Système Monoprogrammation (1) Caractéristiques Mémoire Centrale 1 Seul programme chargé en MC Mémoire partagée entre l OS et le programme utilisateur OS Programme utilisateur (processus) Systèmes d Exploitation 90 90

28 Système Monoprogrammation (2) Processeur Alloué entièrement au programme utilisateur chargé en mémoire centrale Pas de partage avec un autre programme utilisateur sauf avec les programmes système Toutes les ressources de la machine allouées à un seul programme utilisateur Mauvaise gestion des ressources Un seul programme est incapable d utiliser toutes les ressources d une machine à un instant donné Systèmes d Exploitation 91 91

29 Système Monoprogrammation (3) Programme A début attente E / S attente E / S attente E / S fin Programme B attente E / S E / S E / S début attente attente attente fin Systèmes d Exploitation 92 92

30 Système Monoprogrammation (4) Inconvénients Rentabilité des ressources Espace mémoire inutilisé Sous-utilisation du processeur Opération d E/S Prise en charge par un canal Libération du processeur Non utilisé durant l E/S (Etat Idle) Autres composants non utilisés Systèmes d Exploitation 93 93

31 Système Monoprogrammation (5) Temps d attente des programmes TA(P i ) = Σ j=1..(i-1) TE(P j ) Déséquilibre entre temps d utilisation du processeur et temps d attente P1 : 60 mn de calcul / 1mn E/S P2 : 2 mn de calcul / 1s d E/S Temps d attente de P2 : 61 mn Avantages Système simple Ressources allouées à un seul utilisateur Systèmes d Exploitation 94 94

32 Système Multiprogrammation (1) Caractéristiques Mémoire centrale Possibilité de charger plusieurs programmes utilisateurs en MC en même temps Contenu de la MC OS + N programmes utilisateurs (N 1)... OS P1 P2 Pn Systèmes d Exploitation 95 95

33 Système Multiprogrammation (2) Processeur Multiplexé (partagé) entre les programmes (processus) chargés en MC Simultanéité entre calcul et E/S P1 fait du calcul P2,, Pn en attente du processeur P1 lance une E/S Canal prend en charge l E/S (Processeur Libre) Processeur alloué à P2 (Commutation de contexte) Et ainsi de suite Systèmes d Exploitation 96 96

34 Système Multiprogrammation (3) Ressources partagées entre plusieurs programmes utilisateurs et l OS Système plus complexe Chargement/Déchargement de processus Gestion de la simultanéité Gestion des contextes des processus Meilleure utilisation des ressources de la machine Systèmes d Exploitation 97 97

35 Système Multiprogrammation (4) Programme A attente attente attente début E / S E / S E / S fin Programme B début attente E / S attente E / S attente E / S fin Systèmes d Exploitation 98 98

36 Système Multiprogrammation (5) Inconvénients Complexité du système Gestion de plusieurs processus Sécurité des processus Peut être non équitable Effet sur le temps d attente quand le calcul est dominant par rapport aux E/S P1: 60 mn (UC) + 2 mn (E/S) P2: 1 mn (UC) + 2 s (E/S) Temps d attente de P2 : 60 mn / 1 mn Systèmes d Exploitation 99 99

37 Système Multiprogrammation (6) Avantages Meilleure gestion des ressources Espace mémoire mieux utilisé Réduction des temps d inactivité du processeur Simultanéité entre UC et Canaux d E/S 100 Systèmes d Exploitation 100

38 Système Multiprogrammation (7) Techniques et principes utilisés Chargement de plusieurs programmes Gestion de l espace mémoire Allocation, Libération de l espace Simultanéité entre Calcul et E/S Existence de canaux d E/S Indispensables pour permettre la simultanéité entre calcul et E/S 101 Systèmes d Exploitation 101

39 Système Multiprogrammation (8) Technique de Swap Chargement / Déchargement de programmes (processus) Va et vient entre Disque et MC Swap in Disque Mémoire Centrale Swap out Chargement Mémoire Centrale Disque Déchargement 102 Systèmes d Exploitation 102

40 Système Temps-partag partagé (1) Système Time-sharing 2 objectifs Gestion optimale des ressources Meilleur partage du processeur entre les programmes utilisateurs Plus d équité (pas de privilège) Principe de base Politique de partage du temps processeur plus équitable 103 Systèmes d Exploitation 103

41 Système Temps-partag partagé (2) Principe général Héritage des systèmes de multiprogrammation Plusieurs programmes en MC Existence de canaux d E/S Différence Manière de gérer le processeur Plus d équité entre processus utilisateurs Méthode spécifique d allocation du processeur 104 Systèmes d Exploitation 104

42 Système Temps-partag partagé (3) Méthode d allocation de l UC Objectif Eviter le problème d attente de libération du processeur dans le cas des systèmes de multiprogrammation Fin du processus en cours d exécution Début d une E/S Solution Retirer le processeur au processus en cours même s il en a encore besoin Préemption 105 Systèmes d Exploitation 105

43 Système Temps-partag partagé (4) Technique de préemption Principe Possibilité de retirer le processeur au processus en cours même s il en a besoin Ne pas attendre la fin du processus Ne pas attendre le début d une E/S Retrait forcé L empêcher de continuer son exécution Technique applicable à n importe quelle ressource (mémoire centrale, etc.) 106 Systèmes d Exploitation 106

44 Systèmes Temps-réel el (1) Système classique But Rendre un ou plusieurs services à un utilisateur Exigence de l utilisateur Lancer un service et attendre un résultat Seule exigence de l utilisateur: Résultat Pas d autres contraintes ou exigences 107 Systèmes d Exploitation 107

45 Systèmes Temps-réel el (2) Système Temps-réel Introduire d autres contraintes en plus du résultat Contraintes temporelles Date de début d un traitement Durée de traitement Date de délivrance du résultat La contrainte temps est plus importante que le résultat 108 Systèmes d Exploitation 108

46 Systèmes Temps-réel el (3) Problème Que faire si ces contraintes ne sont pas respectées? Arrêter le programme, accepter le résultat, attendre, ignorer le résultat, etc. Exemples d OS temps-réel RT-Linux, RTOS Windows CE, RMX Domaines d applications Industrie, Aviation, Hôpitaux, etc. Systèmes d Exploitation 109

47 Systèmes Parallèles les (1) Architecture classique 1 Processeur unique Même horloge pour tous les processus 1 Mémoire centrale unique Même espace pour tous les processus Modèle d exécution (calcul) Séquentiel (monoprocesseur) 1 processus à la fois 1 seule instruction à la fois 110 Systèmes d Exploitation 110

48 Systèmes Parallèles les (2) Architecture parallèle Une seule machine composée de Plusieurs processeurs Plusieurs horloges 1 seule mémoire centrale Même espace pour tous les processus Modèle d exécution parallèle N processus qui s exécutent en même temps (N Processeurs) Accès séquentiels à la mémoire centrale 111 Systèmes d Exploitation 111

49 Systèmes Distribués s ou Répartis R (1) Architecture répartie Plusieurs machines physiquement séparées (distantes) Plusieurs processeurs (N) Plusieurs MC (N) Reliées par un réseau Communication avec des messages Avec ou sans partage de disque Disk shared ou Shared Nothing 112 Systèmes d Exploitation 112

50 Systèmes Mobiles (1) Informatique actuelle Répartie (Distribuée) Décentralisée Mobile (Nomade) Déplacement dans le temps et dans l espace Pervasive Comportement du système dépend De la localisation géographique Du type d équipements 113 Systèmes d Exploitation 113

51 Systèmes Mobiles (2) Exemples Ordinateurs portables, PDA, Se déplacent avec leurs propriétaires Architectures et systèmes mobiles Données mobiles Cartes magnétiques Téléphone, Bancaire, CNSS, etc. 114 Systèmes d Exploitation 114

52 Systèmes Mobiles (3) Caractéristiques des OS pour mobiles Disposent de ressources limitées Nombre Type Capacité Gestion de la mobilité Localisation physique du mobile Fonctionnement dépendant d un réseau Déconnexion 115 Systèmes d Exploitation 115