Cours de Systèmes d’Exploitation Introduction aux SE

Introduction générale
 

• Rôle d’un système d’exploitation
• Organisation d’un système d’exploitation
• Historique des systèmes d’exploitation

           

Rôle d’un système d’exploitation (SE)

         
Intermédiaire entre l’ordinateur et les applications/utilisateurs
  

• Ordinateur vu comme un ensemble de ressources (physiques + logiques)

• Exemples de ressources physiques : cpu, mémoire, périphériques
• Exemples de ressources logiques : fichiers, sessions, processus

• Fournir une interface     d’accès simplifiée    aux ressources
• Gérer le     partage efficace et équitable    des ressources
• Assurer le     contrôle d’accès    aux ressources

  
=> Le SE est un gestionnaire de ressources qui met en œuvre une machine virtuelle

Architecture générale

     

Structure d’un SE

- Noyau

• Partie qui réside constamment en mémoire centrale

• Routines qui requièrent un mode d'exécution privilégié
• Données globales et partagées par les serveurs système

- Serveurs système
   

• Partie qui peut être commutée / déchargée temporairement

- Pilotes (ou contrôleurs)

• Modules spécialisés qui dialoguent avec les périphériques réels

- Noyau minimal (micro-noyau / client-serveur)

• Mach / Chorus
• Maximise les fonctions gérées par des serveurs systèmes
• Meilleure extensibilité et adaptabilité
• Meilleure isolation des fautes

  
- Noyau maximal (monolithique)

• Unix, Linux, Windows XP
• Meilleures performances
• Le SE est un ensemble de procédures, ce qui diminue les IPC (Inter Processus Call)

            

Interactions applications => SE

- Fonctions système (API)

• Pour le programmeur d’applications, le SE apparaît comme un ensemble de fonctions appelables, permettant de manipuler les ressources physiques et logiques
• Une fonction système peut interagir avec un serveur système pour la réalisation d’un service particulier
• Au plus bas niveau, une fonction système peut engendrer un appel système (appel au noyau)

  
- Langages de haut niveau : appels systèmes cachés par compilateurs / interpréteurs / librairies

Appels systèmes

• Interruption logicielle (trap / svc)
• Passage du mode d’exécution utilisateur en mode noyau (également appelé mode superviseur)
• Exécution du traitant  d’interruption
• Coûteux

• Tout passage en mode noyau provoque :

                          -    Sauvegarde du contexte d'exécution (registres)
                          -    Restauration du contexte

Ressources gérées par le SE

• Programme / application
• Processus                                 ======>     Activités
• Thread (processus léger)
• Pilotes

• Mémoire centrale
• Fichiers                                 =======>        Données
• Mémoires secondaires

Gestion des activités

• Lancement d’un programme => création d’un processus
• Un processus = un programme en cours d’exécution
• Durée de vie d’un processus = celle du programme exécuté
• Le SE

• Crée et détruit les processus
• gère l’allocation des ressources aux processus
• fournit des moyens de communication entre processus locaux ou distants

 

Gestion des données

 

• Mémoire centrale = un grand tableau d’octets (contenu volatile)
• Les fichiers contiennent des données persistantes (programmes, données)
• Mémoires secondaires = supports de stockage permanents
• Le SE

• gère l’allocation de la mémoire centrale aux processus
• gère la création, la destruction, l’accès aux fichiers
• gère l’allocation de la mémoire secondaire aux fichiers

      

Interactions Utilisateur => SE

     
- Interpréteur de commandes

• Permet à un utilisateur d’exécuter de manière interactive des requêtes de haut niveau, qui mettent en jeu des appels systèmes

• Manipulation de processus
• Manipulation de fichiers
• Manipulation de mémoires secondaires
• …

• Est lui-même un programme applicatif pour le SE

       

Types de SE

 
- Variations liées :
 

• Aux évolutions technologiques
• Miniaturisation des composants
• Puissances croissantes

• Au domaine d’utilisation
• Informatique embarquée
• Informatique domestique
• Informatique d'entreprise
•  …

 

1ère génération (~1950)

   

- Ordinateur
       

• Ensemble de tubes (~20 000)
• Chargement manuel par le programmeur à l’aide d’interrupteurs
• L’utilisateur exécute son programme immédiatement après le chargement
• Pas de SE

        
- Inconvénients
 

• Très encombrant
• Très lent
• Très peu fiable

 

2ème génération

    
Ordinateurs “mainframes” 
     

• Traitement par lots (cartes perforées)
• L’enchainement des lots est décrit par une carte perforée spéciale (carte de contrôle)
• Le SE se limite à un moniteur résident qui enchaine les lots

    
- Inconvénients
   

• Lent
• Non interactif

      

Mono-programmation

        

 

E/S tamponnées 

 
- Utilisation d’unités d‘échange (UE) capables :
   

• de fonctionner simultanément avec l’UC (asynchronisme)
• de transférer des tampons = blocs d’octets

• Exécution pgm i    // lecture pgm i+1
• Les cartes sont lues par l’UE et stockées dans des tampons (buffers) d’entrée
• L’UC lit les données dans le tampon d’entrée et produit le résultat dans un tampon de sortie

          
           

• Contraintes :
• Il faut gérer la synchronisation d’accès aux tampons
• Ecrire (tampon) => tampon vide

• Le périphérique peut être particulièrement lent
• La place mémoire utilisée peut être grande

  

E/S Spoolées

                  

• Tampons supplémentaires en mémoire secondaire (files d’attente de données à lire ou à écrire sur un périphérique lent)

• SPOOL = simultaneous peripheral operations on-line

• Spooling d'impression : documents à imprimer chargés dans un tampon en mémoire secondaire, "aspirés" par l'imprimante selon sa propre vitesse

  

3ème génération (1960/1970)

 
- Systèmes multi-programmés
 

• Plusieurs tâches en mémoire simultanément
• Multiplexage du processeur entre les tâches
• Perte du processeur lors des E/S

 
- Avantages
  

• Meilleure utilisation de l’UC

  
- Inconvénients
   

• Complexité
• Taille de mémoire grande
• Partage et protection des ressources

          

Multi-programmation

       

         

Multi-programmation et protection

  

• Éviter qu’une tâche puisse lire / écrire dans la zone mémoire affectée à une autre tâche
• Éviter qu’une tâche puisse manipuler la zone réservée au système autrement que par les appels système
• Éviter qu’une tâche puisse lire / écrire des données d’E/S d’une autre tâche

 
=> Complexifie la gestion des ressources (mémoire, E/S, …)
 

3ème génération (suite)

 
- Systèmes à temps partagé (1970)
  

• Partage du temps processeur entre les tâches
• Quantum de temps

• Tâches en mémoire ou “swappée” sur disque
• Plus grand nombre de tâches
• Une mémoire plus grande allouée à chaque tâche

       
- Avantages

• Temps de réponse corrects pour tâches courtes, même en présence de tâches longues et non interactives

- Inconvénients
 

• Complexité
• L’utilisation du processeur peut être moins bonne

    

Systèmes mono/multiprogrammés et temps partagé

          

   
         

4ème génération (après 1970)

     

• Ordinateurs personnels
• Architectures spécialisées
• Systèmes répartis

            

Ordinateurs personnels

• Initialement
• Mono-tâches (MS/DOS, Windows3/11)
• Dédiés à un utilisateur
• Pas de protection / sécurité
• Très interactifs
• Très conviviaux

• Evolution
• Multi-tâches (MacIntosh, Windows NT/2000/XP, Unix, Linux)
• Multi-utilisateurs
• Connections réseaux (exploitation dans les systèmes répartis)

       

Systèmes parallèles multiprocesseurs

    

• SMP (Symetric Multi Processeurs)
• Systèmes généralistes (serveurs BD, Web, SI, NFS, …)
• Processeurs standards
• Partage total de la mémoire

• Machines de calcul parallèles
• Architectures spécialisées
• Processeurs spécifiques pour le calcul vectoriel
• Réseaux spécialisés
• Partage total ou partiel de la mémoire (bancs)

          

       

Systèmes clustérisés

      

• Plusieurs noeuds (= machines)
• partageant un disque (share disk)
• ou bien ne partageant rien (share nothing)
• Un nœud est également appelé un serveur

• Connectés par un réseau spécialisé (SCI, Ethernet, …)
• Invention des réseaux locaux à haut débit (Local Area Network)
• Échanges rapides de données de grandes taille

• 3 caractéristiques :
• Montée en charge
• Passage à l’échelle (extensibilité / scalability)
• Haute disponibilité (serveurs back-up)

               

Systèmes à Haute Disponibilité

           

• Haute disponibilité
• Temps d’indisponibilité < quelques minutes par an
• Pas de transparence à la panne (vue par les clients)
• Relancement automatique
• Serveurs back-up (prennent le relais en cas de panne)

  

Systèmes Clustérisés

         

        

Systèmes Distribués / Répartis

     

• Distribution de l’exécution sur un ensemble de serveurs distants
• En général, pas de mémoire / disque  partagé
• Pas de matériel spécifique
• Pas d’état global

• Applications multi-usagers / multi-localisations
• Télé-conférence, commerce électronique, SI, …
• Évolution dynamique des serveurs
• Données distribuées et partagées

       

Couverture du terme système réparti

• Englobe maintenant :
• Architectures distribuées fortement couplées :
• Systèmes parallèles multi-processeurs
• Architectures clusters
• Architectures distribuées faiblement couplées
• Grilles de calcul
• Grilles d'entreprises
• Architectures pair à pair
• Applications Web

   

Motivations pour les systèmes répartis

 

• Partage de ressources sur le réseau :
• Processeur, mémoire, serveurs
• Code mobile
• Données mobiles
• Potentiel :
• Disponibilité
• Montée en charge
• Passage à l’échelle

       

Systèmes Temps-réel

           

• Contraintes temporelles
• Temps d'exécution bornés
• Utilisés dans des situations spécifiques
• systèmes d’imagerie médicale,
• systèmes de contrôle industriel,
• robotique,
• …

• Hard real-time systems
• Peu ou pas de mémoire secondaire
• Pas de temps-partagé
• Temps de commutation très court
• SE complètement spécifique
• Soft    real-time Systems
• Utilisés dans les applications multimédia, réalité virtuelle
• Contraintes de temps plus souples
• Gestion de priorités de tâches
• Gestion spécifique de la mémoire

         

Systèmes « handled »

                

• Personal Digital Assistants (PDAs)
• Téléphones cellulaires
• Systèmes d’exploitation spécifiques
• Contraintes :
• Mémoire limitée
• Processeurs lents
• Petits écrans
• Faible consommation d’énergie