Table des matières. Préface... iii

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1 Table des matières Préface... iii PREMIÈRE PARTIE : PRINCIPES DE CONCEPTION DES SYSTÈMES D EXPLOITATION 1 Chapitre 1 Structure d un système d exploitation Les trois grandes fonctions Chargement des programmes Le système d exploitation en tant que machine virtuelle Le système d exploitation en tant que gestionnaire de ressources Caractéristiques d un système d exploitation Systèmes multi-tâches Systèmes multi-utilisateurs Structure externe d un système d exploitation Noyau et utilitaires Le gestionnaire de tâches Le gestionnaire de mémoire Le gestionnaire de fichiers Le gestionnaire de périphériques Le chargeur du système d exploitation L interpréteur de commandes Structure interne d un système d exploitation Les systèmes monolithiques Systèmes à modes noyau et utilisateur Systèmes à couches Systèmes à micro-noyau Systèmes à modules Mise en œuvre Les appels système Les signaux Chapitre 2 Principe de traitement des entréessorties Principe du matériel d entrée-sortie Les périphériques d entrée-sortie Les contrôleurs de périphériques Transferts synchrones et asynchrones Périphériques partagés et dédiés Principe des logiciels d entrée-sortie Objectifs des logiciels des entrées-sorties Les pilotes de périphériques Logiciel d entrée-sortie indépendant du matériel Logiciels d entrée-sortie faisant partie de l espace de l utilisateur Chapitre 3 Le système Linux étudié Le système Linux à étudier Noyau et distribution Noyau minimal Obtention des sources Programmation Linux Versions du noyau Linux Les sources du noyau Vue d ensemble sur l arborescence L arborescence détaillée Vue d ensemble sur l implémentation Caractéristiques Étapes de l implémentation Évolution du noyau Cas du noyau Aide au parcours du code source Cas du noyau DEUXIÈME PARTIE : UTILISATION DU MICRO-PROCESSEUR INTEL 37 Chapitre 4 Prise en compte de la mémoire Intel La segmentation sous Intel Notion La segmentation en mode protégé sur Intel La segmentation sous Linux Mode noyau et mode utilisateur Segmentation en mode noyau Accès à la mémoire vive Évolution du noyau Prise en compte d autres micro-processeurs Accès à la mémoire vive Utilisation de la segmentation Chapitre 5 Adaptation des entrées-sorties et des interruptions Intel Accès aux ports d entrée-sortie... 55

2 vi Table des matières 1.1 Accès aux ports d entrée-sortie sous 80x Encapsulation des accès aux ports d entréesortie sous Linux Les interruptions sous Linux Rappels sur les vecteurs d interruption d Intel Adaptations sous Linux Initialisation des exceptions Initialisation provisoire Initialisation définitive Initialisation des interruptions matérielles Un problème de conception Contrôleur d interruptions programmable Programmation des registres de contrôle d initialisation du PIC Programmation des registres de contrôle des opérations du PIC Reprogrammation du PIC dans le cas de Linux Gestionnaires des interruptions matérielles Manipulation des interruptions matérielles Initialisation de l interruption logicielle Évolution du noyau Accès aux ports d entrée-sortie Insertion des portes d interruption Initialisation des exceptions Initialisation des interruptions matérielles Manipulation des interruptions matérielles TROISIÈME PARTIE : LES GRANDES STRUCTURES DE DONNÉES 79 Chapitre 6 Les structures de données concernant les processus Descripteur de processus Structure du descripteur de processus Aspects structurels État d un processus Priorité d un processus Signaux Code de statut Espace d adressage Identificateurs du processus Hiérarchie des processus Propriétaire d un processus Informations temporelles Utilisation du coprocesseur mathématique Informations sur les fichiers utilisés Table locale de descripteurs Segment d état de tâche Tâche initiale Table des processus Stockage des descripteurs de processus Implémentation de la table des processus Repérage d un descripteur de processus La tâche en cours Évolution du noyau Structure du descripteur de processus Table des processus Chapitre 7 Description du système de fichiers Étude générale Notion de fichiers Gestion des fichiers Les fichiers du point de vue utilisateur La conception des systèmes de fichiers Caractéristiques d un fichier Types de fichiers Droits d accès d un fichier sous Unix Mode d un fichier sous Unix Notion de tampon de disque dur Structure d un disque Minix Bloc sous Minix et Linux Structure générale d un disque Minix Les nœuds d information sur disque Le super bloc Système de fichiers Minix chargé en mémoire Antémémoire Les descripteurs de nœud d information Table des super-blocs Les descripteurs de fichiers Fichiers de périphériques Caractéristiques Repérage des fichiers de périphériques Évolution du noyau Prise en charge de plusieurs systèmes de fichiers Cas de Posix Système de fichiers virtuel Super-bloc Nœud d information Descripteur de fichier Répertoire Types de fichiers

3 Table des matières vii 7.9 Déclaration d un système de fichiers Descripteur de tampon Chapitre 8 Les terminaux sous Linux Les terminaux Notion de terminal Les terminaux du point de vue matériel Le pilote de terminal Les différents terminaux et les normes Modélisation en voies de communication Paramétrage des voies de communication Principe La structure de paramétrisation Paramétrage des modes d entrée Paramétrage des modes de sortie Le tableau des caractères de contrôle Paramétrage des modes locaux Paramétrages des modes de contrôle Implémentation des voies de communication Implémentation d un tampon d entrée ou de sortie Implémentation des voies de communication Implémentation du terminal Définition du terminal Les caractères de contrôle Caractéristiques de la console Caractéristiques des liaisons série Les tampons du terminal Évolution du noyau QUATRIÈME PARTIE : ASPECT DYNAMIQUE SANS AFFICHAGE 163 Chapitre 9 Implémentation des appels système sous Linux Principe Définition des appels système Notion de code d erreur Insertion et exécution des appels système Fonction d appel Liste des codes d erreur Liste des appels système Évolution du noyau Chapitre 10 Mesure du temps sous Linux Les horloges Le matériel de l horloge Le logiciel des horloges Horloges matérielles des PC L horloge temps réel des PC Minuteur périodique programmable Programmation du minuteur sous Linux Initialisation du minuteur Variable de sauvegarde du temps Gestionnaire de l interruption d horloge La comptabilisation du processus en cours Maintien de la date et de l heure sous Linux Variable structurée de conservation du temps Initialisation de la variable structurée Évolution du noyau Chapitre 11 Le gestionnaire des tâches Commutation de processus Notion générale Gestion du coprocesseur arithmétique Cas de Linux Ordonnancement des processus Politique d ordonnancement Algorithme d ordonnancement Initialisation du gestionnaire des tâches Évolution du noyau Chapitre 12 Les signaux sous Linux Notion générale de signal Liste et signification des signaux Vue d ensemble de manipulation des signaux Implémentation des deux appels système Implémentation de l appel système d envoi d un signal Implémentation de l appel système de déroutement Implémentation du traitement des signaux Fonction de gestion de signal par défaut Évolution du noyau CINQUIÈME PARTIE : AFFICHAGE 231 Chapitre 13 Le pilote d écran sous Linux Affichage brut Rappels sur l affichage texte sur l IBM-PC Implémentation sous Linux Notion d affichage structuré Principe du logiciel d affichage structuré Cas de Linux Les suites d échappement ECMA Syntaxe Sémantique

4 viii Table des matières 4 Le pilote d écran sous Linux Prise en compte des caractéristiques ECMA Fonction d écriture sur la console Traitement des cas spéciaux Évolution du noyau Affichage graphique et affichage console Caractéristiques de l écran Les consoles Chapitre 14 L affichage des caractères sous Linux Traitement des caractères Les caractères Classification primaire des caractères Fonctions de classification des caractères Fonctions de conversion Écriture sur une voie de communication Description Implémentation Attente du vidage du tampon d écriture Traitement des processus en attente Évolution du noyau Traitement des caractères Écriture sur une voie de communication Chapitre 15 L affichage formaté du noyau Nombre variable d arguments L apport du C standard Implémentation de stdarg.h sous Linux Formatage La fonction sprintf() Structure des formats Le cas de Linux Implémentation de vsprintf() sous Linux Les fonctions auxiliaires La fonction printk() La fonction panic() Évolution du noyau SIXIÈME PARTIE : ASPECT DYNAMIQUE AVEC AFFICHAGE 289 Chapitre 16 Gestionnaires des exceptions Traitement des exceptions sous Linux Structure générale des routines Définitions des gestionnaires Structure d un gestionnaire Les fonctions de traitement du code d erreur Les fonctions C des gestionnaires par défaut Les macros auxiliaires La routine int3() La routine device_not_available() La routine principale La fonction math_state_restore() Évolution du noyau Chapitre 17 Mémoire virtuelle sous Linux Étude générale Mémoire virtuelle Mise en place de la mémoire virtuelle Pagination Notion Pagination à plusieurs niveaux Protection La pagination sous Intel Taille des pages Structure des entrées des tables Activation de la pagination Structure d une adresse virtuelle Mécanisme de protection matérielle La pagination sous Linux Mise en place des éléments Initialisation de la pagination Zone fixe et zone de mémoire dynamique Structures de gestion des tables de pages Obtention d un cadre de page libre Libération d un cadre de page Traitement de l exception de défaut de page Le code principal Exception d essai d écriture sur une page en lecture seule Exception de page non présente Évolution du noyau SEPTIÈME PARTIE : FICHIERS RÉGULIERS 325 Chapitre 18 Le pilote du disque dur Géométrie des disques durs Description générale Prise en charge par Linux Le contrôleur de disque dur IDE Les registres IDE Les commandes du contrôleur IDE Prise en charge du contrôleur par Linux Constantes liées au contrôleur

5 Table des matières ix 3.2 Routine d interruption matérielle du disque dur Passage des commandes Fonction d attente du contrôleur Récupération des erreurs Partitionnement du disque dur Un choix d IBM Utilisation par Linux Requêtes à un disque dur Notion de requête Structure des requêtes Tableau des listes de requêtes Initialisation du disque dur Requête de lecture ou d écriture Gestion des tampons Ajout d une requête Traitement des requêtes Le gestionnaire d interruption en cas d écriture Réinitialisation du disque dur Le gestionnaire d interruption en cas de lecture Pilote du disque dur Évolution du noyau Périphériques bloc Géométrie d un disque dur Initialisation d un disque dur traditionnel Contrôleur de disque dur Interruption matérielle d un disque dur Passage des commandes Partitionnement des disques durs Requêtes à un disque dur Chapitre 19 Gestion de l antémémoire Description des fonctions Gestion des listes de tampons Fonctions d accès aux tampons Réécriture des tampons modifiés Implémentation des fonctions de gestion de listes Fonctions de hachage Insertion dans les listes Suppression des listes Recherche d un descripteur de tampon Réécriture sur un disque donné Les fonctions de manipulation des tampons Relâchement d un tampon Détermination d un descripteur de tampon Création d un descripteur de tampon Lecture d un tampon Évolution du noyau Chapitre 20 Les périphériques bloc Vue d ensemble Accès à bas niveau Détermination des périphériques bloc Table des pilotes de bas niveau Fonction d accès à bas niveau Les fonctions de lecture et d écriture de bloc Fonction d écriture Fonction de lecture Évolution du noyau Chapitre 21 Gestion des nœuds d information Chargement d un super-bloc Gestion des tables de bits des données Recherche d un bloc de données libre Macros auxiliaires Libération d un bloc de données Les fonctions internes des nœuds d information Verrouillage d un descripteur de nœud Déverrouillage d un descripteur de nœud Fonction d attente de déverrouillage Écriture d un nœud d information sur disque Lecture d un nœud d information sur disque Gestion des blocs sur noeud d information Détermination du numéro de bloc physique Agrégation d un bloc physique Implémentation de la fonction auxiliaire Mise à zéro d un nœud d information sur disque Mise à zéro d un bloc d indirection simple Mise à zéro d un bloc d indirection double Implémentation Fonctions de service des nœuds d information Synchronisation des nœuds d information Recherche d un nouveau descripteur de nœud d information Remplissage d une zone de mémoire Libération d un nœud d information en table des bits Relâchement d un nœud d information Recherche d un nœud d information libre sur disque Chargement d un nœud d information Évolution du noyau

6 x Table des matières Chapitre 22 Gestion interne des fichiers réguliers et des répertoires Montage d un système de fichiers Chargement d un super-bloc Initialisation du système de fichiers Lecture de la table des partitions Gestion des répertoires Étude générale des répertoires Les fichiers répertoire sous Linux Fonctions internes de gestion des répertoires Gestion interne des fichiers réguliers Gestion des noms de fichiers Lecture et écriture dans un fichier régulier Évolution du noyau Montage d un système de fichiers Gestion des répertoires et des fichiers HUITIÈME PARTIE : PÉRIPHÉRIQUES CARACTÈRE 449 Chapitre 23 Le clavier Principe du logiciel de lecture au clavier Modes brut et structuré Tampon de lecture Quelques problèmes pour le pilote Interface du clavier sur l IBM-PC Aspect physique Make-code et break-code Les registres du contrôleur de clavier Principe de lecture des scan codes Le port 61h Principe du traitement du clavier sous Linux Le gestionnaire du clavier Initialisation du gestionnaire de clavier Grandes étapes du gestionnaire de clavier Traitement du mode données brutes Grandes étapes Détermination de la fonction de traitement Cas des touches préfixielles Cas d une touche normale Les touches de déplacement du curseur Les touches de fonction La touche moins Mise en tampon brut du clavier Traitement du mode structuré Appel Passage du tampon brut au tampon structuré Évolution du noyau Chapitre 24 Les liaisons série Étude générale Communication série asynchrone Communication série synchrone Le standard d interface série RS L UART PC16550D Le brochage L ensemble de registres Programmation de l UART Cas de Linux Initialisation des liaisons série Gestionnaires d interruption Évolution du noyau Chapitre 25 Les périphériques caractère Fonctions de lecture/écriture Fonction d accès de haut niveau Fonctions d accès de bas niveau Implémentation de la fonction d accès de haut niveau Fonctions d accès de bas niveau des terminaux Cas d un terminal quelconque Cas du terminal en cours Évolution du noyau NEUVIÈME PARTIE : COMMUNICATION PAR TUBES 507 Chapitre 26 Communication par tubes sous Linux Étude générale Notion Types de tubes de communication Gestion interne sous Linux Descripteur de nœud d information d un tube Opérations d entrée-sortie Évolution du noyau DIXIÈME PARTIE : LE MODE UTILISATEUR 517 Chapitre 27 Appels système du système de fichiers Points de vue utilisateur et programmeur Les fichiers du point de vue utilisateur Les fichiers du point de vue du programmeur Entrées-sorties Unix sur fichier Ouverture et fermeture de fichiers Lecture et écriture de données

7 Table des matières xi 2.3 Positionnement dans un fichier Sauvegarde des données modifiées Implémentation Linux des entrées-sorties Appel système d ouverture Appel système de création Appel système de fermeture Appel système de lecture des données Appel système d écriture des données Appel système de positionnement Appel système de sauvegarde des données Liens et fichiers partagés Étude générale Création de liens symboliques sous Unix Implémentation sous Linux Manipulations des fichiers Les appels système Unix Implémentation sous Linux Gestion des répertoires Les appels système Unix Implémentation Autres appels système Duplication de descripteur d entrée-sortie Récupération des attributs des fichiers Dates associées aux fichiers Propriétés des fichiers ouverts Montage et démontage de systèmes de fichiers Évolution du noyau Chapitre 28 Appels système concernant les processus Création des processus Description des appels système Implémentation de fork() Le format d exécutable a.out Implémentation de execve() Gestion des attributs Description des appels système Implémentation Gestion des groupes et des sessions de processus Description des appels système Implémentation Terminaison du processus en cours Description de l appel système Implémentation Attente de la fin d un processus fils Les appels système Implémentation Autres appels système L appel système break() L appel système acct() Évolution du noyau Chapitre 29 Les autres appels système sous Linux Appels système de mesure du temps Liste Implémentation Appels système liés à l ordonnancement Priorité des processus Contrôle de l exécution d un processus Appels système concernant les signaux Émission d un signal Déroutement d un signal Attente d un signal Appels système concernant les périphériques Création d un fichier spécial Opérations de contrôle d un périphérique Appels système concernant la mémoire Structure de la mémoire utilisateur Changement de la taille du segment des données Accès à une adresse physique Tubes de communication Description Implémentation Autres appels système Évolution du noyau Chapitre 30 Fonctions de la bibliothèque C La fonction printf() Description Implémentation Fonction concernant les signaux Description Implémentation Fonctions sur les chaînes de caractères Évolution du noyau ONZIÈME PARTIE : DÉMARRAGE DU SYSTÈME 633 Chapitre 31 Démarrage du système Linux Source et grandes étapes Fichiers sources concernés Début de l amorçage Le chargeur d amorçage

8 xii Table des matières 2.1 Les grandes étapes Transfert du code d amorçage Configuration de la pile en mode réel Affichage d un message de chargement Chargement de l image du noyau Passage au mode protégé Les grandes étapes Sauvegarde de la position du curseur graphique Inhibition des interruptions matérielles Transfert du code du système Chargement de tables provisoires de descripteurs Activation de la broche A Reprogrammation du PIC Passage au mode protégé La fonction startup_32() Les grandes étapes Initialisation des registres de segmentation Configuration de la pile en mode noyau Initialisation provisoire de la table des interruptions Initialisation de la table globale des descripteurs Valeurs finales des registres de segment de données et de pile Vérification de l activation de la broche A Vérification de la présence du coprocesseur arithmétique Mise en place de la pagination Passage à la fonction start_kernel() La fonction start_kernel() Les grandes étapes Initialisation du terminal Passage au mode utilisateur Le processus 1 : init Évolution du noyau Bibliographie Index