Présentation

Historique

L'histoire des systèmes d'exploitation a démarré vers 1964. Le tableau suivant présente un bref historique de ces systèmes d'exploitations.

Aujourd'hui, il apparaît qu'il reste les systèmes Window, Mac OS et les systèmes libres BSD et GNU/Linux décliné sous la forme de distributions Linux dont la liste est très importante à laquelle il faut ajouter la distribution française Mandriva Linux (anciennement MandrakeLinux) qui est devenue OpenMandriva Lx.

Rôle et structure

Le rôle du système d'exploitation

Le SE réalise les opérations suivantes :

• il fournit une interface utilisateur, qui peut être texte mais est le plus souvent graphique :
  • pour la gestions des données
  • pour la communication entre programmes ou entre machines
• il gère le chargement en mémoire centrale d’un ou plusieurs programmes puis l'exécution de ces programmes.
• il gères l'utilisation des ressources de la machine, la répartition de ces ressources entre les différents programmes
• il permet de masquer les caractéristiques physiques de l’ordinateur :
  • Cela donne une vision uniforme des périphériques quelque soit le type.

Quelques définitions :

• Ressource :
  • moyen matériel ou logiciel nécessaire au lancement d’un processus.
• Processus :
  • ensemble programmes + données + matériel qui s’exécute à un instant donné.

Il existe plusieurs modes de fonctionnement :

• Monotâche, mono-utilisateur
  • un seul programme , un seul utilisateur, comme par exemple MS-DOS
• Multitâche, mono-utilisateur
  • Plusieurs programmes , un seul utilisateur, comme par exemple Windows, DR-DOS
• Multitâche, multi-utilisateur
  • Plusieurs programmes , plusieurs utilisateurs, comme par exemple UNIX, LINUX, BSD, Prolog

La structure interne

Le SE est organisé en couches entre le matériel et les applications.

Le moniteur

Le gestionnaire de processus

Description

Il attribut le ou les processeurs aux différents processus ou tâches à exécuter.

En environnement multiprocesseur les différents processus sont répartis sur les processeurs.

En environnement monoprocesseur, tout se passe comme si chaque processus avait son propre processeur, mais en réalité c’est un processeur qui se partage à chaque processus. Un seul processeur traite tous les processus de manière séquentielle.

L'ensemble des données utilisées par le processus est appelé le contexte d'exécution :

• Données propres ou communes à d’autres processus
• Compteur ordinal du processeur
• Pointeur de pile
• Divers autres registres

La table de processus est un tableau qui contient l’environnement de chaque processus.

Différents états d'un processus

L'ordonnancement des tâches en temps partagé

L’ordonnanceur des tâches définit à chaque instant quel processus va être activé.

Chaque processus dispose de la même tranche de temps processeur. Le passage d'une tâche à une autre s'appelle la commutation de tâche qui effectue :

• A la fin de chaque tranche de temps définie par une horloge (timer)
• Sur des évènements particuliers :
  • I Fin de tâche en cours avant la fin de la tranche de temps
  Tâche en cours fait appel à un périphérique avant la fin de la tranche de temps, elle est mise en attente.

Lors de la commutation :

• La tâche en cours est suspendue (environnement de travail sauvegardé)
• La tâche suivante est exécutée (restitution de l’environnement de travail et exécution)

Le changement d'environnement s'appelle la commutation de contexte.

La liste des tâches à exécuter se trouve dans la file d'attente des tâches.

L'ordonnancement des tâches à base de priorité

Il n’y a plus de tranches de temps définies par un timer. Ce système est dit préemptif, il peut fonctionner en temps réel.

Une tâche libère le processeur :

• lorsqu’elle se termine
• lors de l’attente d’un périphérique
• une tâche plus prioritaire doit être exécutée.

La commutation de tâche s’effectue uniquement sur des événements.

Le temps réel

Un système en temps partagé est non prévisible, tandis qu'un système temps réel doit être prévisible (prédictible). On parle également de types de contraintes des systèmes en temps réel :

• Le système temps réel à contrainte de temps souple (soft real time) qui accepte des variations de temps pour les traitements de l’ordre de 500ms (systèmes multimédias).
• Le système temps réel à contrainte de temps dure (hard real time) qui impose des contraintes de temps plus strictes de l’ordre de la µs.

Les critères de contrainte dure sont :

• Le déterminisme logique : les mêmes entrées produisent les mêmes effets
• Le déterminisme temporel : une tâche doit être exécutée dans les temps qui lui est imparti
• La fiabilité : le système doit toujours être disponible pour chaque évènement

Hiérarchie entre les processus

• Un processus (père) peut en lancer un autre (fils).
• En environnement multitâche le processus père continue de fonctionner pendant que le fils est exécuté, le fils est une nouvelle tâche ajoutée à la table des processus.
• Un fils peut être le père d’un autre processus. On a une structure arborescente des processus.
• En environnement monotâche le processus père s’arrête pour laisser le processus fils s’exécuter.
• Le fils hérite d’une copie du contexte d’exécution du père.

Communication entre processus

• Tube
  • Utilisation de descripteur entre processus père et ses processus fils
  • Utilisation des tubes nommés qui sont implémentés sur les disques. Les tubes nommés ( FIFO ) permettent aux processus d’échanger des données.
  • Les tubes qui relie la sortie standard d’un programme à l'entrée standard à un autre programme.
• Socket
• en local, utilisation du disque dur en mode flux continu (datagrammes) ou par flot avec connexion
• TCP/IP : utilisation de protocoles réseaux en local comme à distance
• La File de Messages
• La Mémoire partagée est une zone mémoire accessible par les processus.
• Le Sémaphore est une méthode de synchronisation des échanges lors de l'accès à la mémoire.

Le gestionnaire de mémoire

La mémoire est partagée entre :

• Système d’exploitation : en ROM ou Flash et en RAM chargé lors du boot
• Pilotes de périphériques
• Programmes utilisateurs qui sont chargés en RAM chargé lors de l'exécution

Avec certains système, le processeur accède directement à la mémoire physique avec l’adresse, donc tous les processus peuvent accéder à la même zone mémoire.

Dans la majorité des cas, le processeur n'accède pas directement à la mémoire physique, mais via un système de pagination mémoire, la MMU (Memory Management Unit).

• Chaque processus accède à la zone mémoire qui lui est allouée, mais pas à celle des autres processus.
• S’il n’y a pas assez de mémoire pour charger tous les processus en mémoire, il sont chargés en mémoire depuis le disque au moment de l’utilisation.
• Si la mémoire RAM est insuffisante, le système utilise le disque, cette méthode s’appelle le swapping. On parle de partition swap sur le disque dur.

La gestion des périphériques et des fichiers

Le gestionnaire d'entrées-sorties

Organisation des fichiers sur le disque dur

Le système de fichiers utilise une structure arborescente composée de répertoires. Le disque dur est composé de partitions.

Sous windows chaque partition est une unité logique comme A :, C :, D :, ... qui est la racine d’une arborescence.

Sous Linux et Unix, il y a une seule arborescence, les partitions sont montées (incluses) dans cette arborescence.

Dans chaque partition le système de fichier dépend du SE :

• Linux : Ext2fs, Ext3FS, Ext4FS, Reiser FS, ...
• Windows : FAT16, FAT32, NTFS, ...

Le système Ext2

Le système ext2 (extended file system) de linux utilise un système d'inode, chaque inode représente un périphérique

• Fichiers normaux
  • texte, images, vidéo, exécutables, ...
• Répertoires :
  • Fichiers conteneurs qui contiennent les références à d’autres fichiers.
• Descripteurs de périphériques :
  • dans /dev, points d’accès aux périphériques
  • Ces fichiers ont un numéro majeur relatif au type de périphérique et mineur représentant le périphérique.
• Liens symboliques :
  • Inodes qui ne contiennent qu’une référence (un pointeur) à un autre fichier ou un autre répertoire
  • Cela permet d’utiliser un même fichier sous plusieurs noms sans avoir à le dupliquer sur le disque.

Un inode contient :

• des valeurs binaires pour indiquer les droits d’accès
• le numéro du propriétaire et du groupe
• la taille en octets du fichier
• l’heure et la date du dernier accès et la date de la dernière modification de l’inode (changement des droits d’accès, du propriétaire)
• le nombre de liens physiques
• les numéros de blocs des données

Les attributs des inodes indiquent le type de l'inode :

• Indication de répertoire D
• Indication de lien symbolique L
• Indication de périphérique caractères C
• Indication de périphérique bloc B
• Indication de tube P

3 groupes de mode d’accès en lecture, écriture, exécution, définissent les autorisations d'accès aux inodes

• Accès propriétaire : RWX
• Accès groupe d'utilisateurs: RWX
• Accès autre utilisateurs RWX
• Exécution de programme avec les droits du propriétaire par un autre utilisateur S au lieu de X

Le système FAT

Le système FAT (File Allocation Table) utilisé par les mémoires SD et les anciens systèmes windows, utilise une arboresence uniquement pour les fichiers.

Il existe 2 catégories de fichiers :

• fichiers binaires : octets de 0 à 255
• fichiers textes : codes ASCII et caractères de contrôle 0x0a,0x0d fin de ligne, 0x1a (Ctrl-Z) fin de fichier.

Une partition contient :

• Un répertoire racine de la partition, où chaque information sur le fichier est codé sur 32 octets.
• Un bloc FAT qui contient la liste des clusters correspondant à chaque fichier.
• Un deuxième bloc FAT qui est une copie du bloc précédent
• Les clusters contenant les fichiers et sous-répertoires (un sous-répertoire est un fichier contenant les enregistrements de 32 octets)

Un enregistrement du répertoire contient les informations relatives aux fichiers :

• Nom sur 8 octets
• Extension sur 3 octets
• Heure sur 2 octets
• Date sur 2 octets
• Attribut sur 1 octet
  • A archive
  • R lecture seule
  • D répertoire
  • H caché
  • S système
  • V nom de l’unité disque
• 1^er Cluster 4 octets

Le système VFAT permet l’enregistrement des noms de fichiers sur 255 caractères.

La FAT (table d’allocation de fichiers) contient les numéros de clusters pour chaque fichier.

Historiquement, il existe plusieurs format

• FAT 16 : Index de la FAT sur 16 bits, une partition peut contenir un maximum de 65536 clusters avec une capacité maximale de 2Go.
• FAT 32 : Index de la FAT sur 32 bis (28 bits + 4 bits réservés), une partition peut donc contenir 268435456 clusters avec une capacité maximale de 32Go.
• La capacité minimum utilisée sur le disque par un fichier est celle d’un cluster.
• Exemple pour une partition de 2Go
  • taille de cluster de 32K avec une FAT16
  • taille de cluster de 4k avec une FAT32

Le fichier logique

Le concept de fichier logique permet à chaque processus d’accéder à un fichier à un instant donné. Les fichiers logiques sont représentés par un numéro qui correspond à l’indice d’une table de descripteurs.
Avant tout accès au fichier, le programme doit établir un lien entre le fichier logique et le périphérique (open). Il existe des assignations par défaut réalisées par le système d’exploitation :

• 0 : entrée standard assignée à la console
• 1 : sortie standard assignée à la console
• 2 : sortie d’erreur assignée à la console

La redirection des entrées-sorties

Le concept de fichier logique permet de modifier l’assignation en utilisant les symboles > et <

Exemples :

• programme 2> erreurs.txt
  redirige la sortie d’erreur (2) vers le fichier erreurs.txt
• programme 2> /dev/null
  évite l’affichage des messages d’erreur.
• Programme < fichier.txt
  lit ses valeurs dans le fichier.txt au lieu du clavier (entrée standard)

Le gestionnaire de fichiers

Le gestionnaire permet de s’affranchir du type de périphérique (caractère ou bloc) en fournissant un ensemble de fonctions de traitement de fichier :

• lecture ou écriture de N octets sur le périphérique désigné par un nom
• positionnement sur un octet si le périphérique est adressable
• contrôle de flux pour les périphériques distants

Le pilote de périphériques

Il réalise l’interface entre le matériel et le logiciel. Il contient des fonctions de gestions du circuit périphérique :

• Initialisation (caractère ou bloc)
• lecture (caractère ou bloc)
• écriture (caractère ou bloc)
• test de l’état du périphérique (prêt ou occupé)
• contrôle (paramétrage)