Vision cohérente et utilisation
Christian CARREZProfesseur des Universités au CNAM
Avant-propos
Ce polycopié de cours est une mise à jour du livre que j'ai publié en 1990, et qui maintenant n'est plus disponible. C'est le support de cours pour la partie systèmes informatiques de la valeur d'architecture des machines et des systèmes informatiques du cycle A informatique du CNAM.
Pour réaliser des programmes, il est évident qu'il faut maîtriser les concepts de base de la programmation. Mais ce n'est pas suffisant. En particulier, il faut aussi comprendre l'ensemble des mécanismes et outils nécessaires à leur mise en œuvre en machine. C'est le but recherché par ce cours. En ce sens, il s'adresse en priorité à ceux qui seront des informaticiens professionnels. Cependant, comme on ne peut faire de bonne programmation sans cette compréhension, il permettra à toute personne ayant abordé la programmation de parfaire ses connaissances dans les concepts de base de l'informatique.
Nous allons tout d'abord présenter, dans ce polycopié, les principaux outils qui sont utiles à la construction des programmes eux-mêmes. Nous verrons ensuite les relations entre les programmes et les objets externes, c'est-à-dire essentiellement les fichiers. Enfin, nous aborderons quelques unes des fonctionnalités des systèmes d'exploitation qui permettent d'adapter la machine aux véritables besoins des utilisateurs. Notre but essentiel est de faire comprendre l'importance des mécanismes mis en jeu, et leurs conséquences sur l'exécution des applications, quels que soient les langages utilisés pour les écrire. Nous prendrons le point de vue d'utilisateur d'un système d'exploitation et non celui du concepteur. Nous n'hésiterons pas cependant, à donner par endroit une description interne des mécanismes, là où il nous semble que cette description permet de mieux les comprendre.
Ce polycopié est construit sur quatre parties d'importances inégales: introduction, chaîne de production de programmes, environnement externe, et environnement physique. Il est complété par un deuxième polycopié qui contient un ensemble de problèmes et solutions.
Dans la première partie, nous commençons par rappeler rapidement l'évolution historique de l'utilisation des ordinateurs, ce qui permet de mettre en avant les différents concepts ou mécanismes, au fur et à mesure de leur apparition. Nous décrivons ensuite brièvement l'architecture du matériel, pour montrer les difficultés de l'utilisation du matériel “nu”, et justifier ainsi le rôle du système d'exploitation. Nous présentons alors les différents types de systèmes d'exploitation, leurs modes d'utilisation, les critères de choix, et ce qui caractérise un système général ou spécialisé. Cette introduction permet de présenter les services offerts par le système, et se termine par la description de l'architecture d'un système informatique.
La deuxième partie présente la chaîne de production des programmes, qui peut apparaître au programmeur sous forme d'une boîte à outils, ou sous la forme d'un système intégré. Dans tous les cas, elle comporte trois aspects: la traduction, l'édition de liens et des outils complémentaires. Nous présentons brièvement les constituants essentiels de la traduction: l'analyse lexicale, l'analyse syntaxique, l'analyse sémantique, la génération et l'optimisation de code et terminons par la description de la traduction croisée.
L'édition de liens est décrite plus en détail, en introduisant d'abord la notion de module translatable et la notion de lien, en montrant l'expression de la nature du lien dans le module source ainsi que la représentation des liens dans le module objet. L'étude du fonctionnement de l'éditeur de liens montre ensuite comment se passe l'édition simple d'une liste de module, la construction de la table des liens et l'utilisation de la notion de bibliothèque pour ajouter des modules de bibliothèques à la liste. Nous montrons alors que la liaison avec le système doit être traité différemment, par des instructions spéciales. Cet aspect se termine avec la notion de recouvrement, les références croisées et le chargement.
Avant-propos
La présentation des autres outils de la chaîne de production permet d'évoquer les outils d'aide à la mise au point, avec, en particulier, la notion de trace, de point d'arrêt, de reprise et de pas à pas, conduisant aux metteurs au point symboliques multi-fenêtres. Elle se poursuit avec les préprocesseurs et les macrogénérateurs. Elle se termine avec le make, outil de définition et d'exploitation du graphe de dépendance entre des fichiers. L'idée est de montrer qu'il vaut mieux faire un outil pour réaliser une activité automatisable plutôt que de la faire à la main.
La troisième partie aborde la description des objets externes vus de l'utilisateur. Nous introduisons tout d'abord la notion de fichier logique comme notion abstraite qui permet la manipulation des objets externes par le programme (les fichiers physiques). Suivant le cas, les objets externes ont pour but d'échanger des informations, ou de les mémoriser à long terme. Ceci peut conduire à différentes formes de fichiers. Concrètement, l'implantation des objets externes sur disque peut se présenter soit sous forme d'une suite séquentielle de blocs avec éventuellement des extensions, soit sous forme d'un ensemble de blocs de taille fixe. La représentation de l'espace libre conduit à la notion de quantum, et peut utiliser une table de bits ou une liste des zones libres.
À l'exécution, il faut relier le fichier logique à un objet externe, et pour cela il faut disposer d'un mécanisme de désignation. Ceci conduit à introduire la notion de volume, en tant que désignation du support, et la notion de répertoire, pour désigner l'objet sur le support. L'intérêt de l'uniformisation de la désignation par une arborescence unique est mise en évidence, ainsi que l'utilisation de l'environnement pour abréger cette désignation.
La description des objets externes ne serait pas complète sans une introduction de la protection et de la sécurité. La protection, qui a pour but de définir des règles d'utilisation des opérations sur les objets, est obtenue soit par des droits d'accès soit par des mots de passe. La sécurité, qui a pour but de garantir que les opérations s'exécutent conformément à leurs spécifications même en cas de défaillances, est obtenue par redondance interne ou externe.
Enfin, nous terminons cette partie par une présentation rapide de quelques systèmes de gestion de fichiers courants.
Dans la quatrième partie, nous abordons l'interface du programme avec le système d'exploitation. La notion de processus est décrite, ainsi que la hiérarchie de processus. Cette notion est indissociable de la notion de ressources, et permet d'introduire les différents états d'un processus. Nous abordons ensuite les mécanismes habituels de synchronisation des processus que sont les verrous et les sémaphores, et montrons que le contrôle du respect d'une règle du jeu conduit souvent à proposer aux programmeurs d'application des mécanismes particuliers plus élaborés. Nous montrons alors les conséquences du blocage des processus en attente de ressources sur les temps de réponse, et introduisons la notion d'interblocage et le problème de la famine.
Nous présentons ensuite le partage de la mémoire centrale, en introduisant la notion de multiprogrammation. Nous montrons les limites du partitionnement de la mémoire. La notion de segmentation fournit au programmeur un espace mémoire à deux dimensions lui facilitant la gestion de son propre espace, lorsque cette segmentation est prise en compte par le matériel. La notion de pagination est complémentaire de la notion de segmentation, et permet l'implantation de la notion de mémoire virtuelle. Les principaux algorithmes de pagination à la demande sont alors présentés.
Le rôle du langage de commandes est décrit en conclusion: quelles sont les fonctionnalités et comment s'exécute une commande permettent d'assimiler l'interpréteur de commande à un programme comme un autre. C'est en fait un des constituants de la chaîne de production de programmes, mais qui permet entr'autre la manipulation des objets externes et des processus, ce qui justifie de ne l'aborder qu'à la fin.
Les chapitres des quatre premières parties comportent presque tous un paragraphe “conclusion” qui tente de résumer ce qui nous paraît essentiel dans ce chapitre.
Christian Carrez
Table des matières
Première Partie: Introduction .1
1 Évolution historique de l'utilisation des ordinateurs ..3
1.1. Les systèmes purement séquentiels (1950-1960) 3
1.1.1. Les programmes autonomes (1950) . 3
1.1.2. Le moniteur d'enchaînement des travaux (1955) .. 4
1.1.3. L'ordinateur spécialisé d'entrées-sorties (1960) . 5
1.2. L'introduction du parallélisme (1960-1965) .. 6
1.2.1. Les entrées-sorties tamponnées (1960) .. 6 1.2.2. La multiprogrammation (1965) .. 7
1.2.3. Le contrôle de procédés (1965) .. 8
1.3. L'amélioration de l'interface homme-machine (1965-1980) . 9
1.3.1. Le temps partagé (1965) . 9 1.3.2. Le transactionnel (1970) .. 10
1.3.3. Les stations de travail (1980) 10 1.4. Conclusion 11 2 Rappels d'architecture matérielle .13
2.1. Architecture générale . 13
2.2. Architecture du processeur .. 14
2.3. Les entrées-sorties 15
2.3.1. Les entrées-sorties programmées 15
2.3.2. Les entrées-sorties par accès direct à la mémoire .. 16
2.3.3. Les entrées-sorties par processeur spécialisé 17
2.4. Les interruptions 17
2.5. Notion d’appel système . 19
2.5.1. Mode maître-esclave . 19
2.5.2. Déroutement .. 19
2.6. Les caractéristiques des principaux périphériques .. 19 2.6.1. Les périphériques de dialogue homme-machine . 20
2.6.1.1. Les écrans claviers distants .. 20
2.6.1.2. Les écrans graphiques . 20 2.6.1.3. Les imprimantes . 20
2.6.2. Les périphériques de stockage séquentiel .. 21
2.6.3. Les périphériques de stockage aléatoire .. 22
2.6.4. Les périphériques de communications entre machines 22
2.6.5. Les périphériques et le système 23 2.7. Conclusion 23
3 Généralités sur les systèmes d'exploitation ..25
3.1. Les différents types de systèmes d'exploitation 25 Table des matières
3.1.1. Les modes d'utilisation . 25
3.1.2. Les critères de choix .. 26
3.1.3. Système général ou spécialisé .. 27
3.2. Les services offerts par le système .. 28
3.2.1. La chaîne de production de programmes 28
3.2.2. Le programme et les objets externes . 29
3.2.3. Le programme et son environnement physique .. 29
3.3. Architecture d'un système 29 3.4. Conclusion 30
Deuxième Partie: Chaîne de production de programmes .31
4 La traduction des langages de programmation ..33
4.1. L'analyse lexicale . 34
4.2. L'analyse syntaxique .. 35
4.3. L'analyse sémantique .. 36
4.4. La génération et l'optimisation de code . 37
4.5. La traduction croisée .. 38 4.6 Conclusion . 39 5 L'édition de liens et le chargement ..41
5.1. La notion de module translatable . 41
5.2. La notion de lien 42
5.2.1. Expression de la nature du lien dans le module source 43
5.2.2. Représentation des liens dans le module objet . 44
5.3. Fonctionnement de l'éditeur de liens .. 45
5.3.1. Édition simple de la liste L . 45
5.3.2. Construction de la table des liens 46
5.3.3. Notion de bibliothèque . 47 5.3.4. Adjonction de modules de bibliothèques 48
5.3.5. Edition de liens dynamique 50
5.4. Notion de recouvrement 50
5.5. Les références croisées .. 51
5.6. Le chargement 52 5.7. Conclusion 52
6 Autres outils de la chaîne de production 55
6.1. Les outils d'aide à la mise au point .. 55
6.1.1. La notion de trace 55
6.1.2. La notion de point d'arrêt, de reprise et de pas à pas . 56
6.1.3. Les metteurs au point symboliques 56
6.1.4. Les metteurs au point symboliques multi-fenêtres . 57
6.1.5. Les mesures de comportement dynamique 58
6.2. Les préprocesseurs et les macrogénérateurs 58
6.3. Le make . 59
6.3.1. Graphe de dépendance .. 60
6.3.2. Exploitation du graphe de dépendance . 60 Table des matières
6.3.3. Macro substitution .. 61
6.4. Les outils complémentaires . 62 6.5. Conclusion 62
Troisième Partie: Environnement externe 61
7 La notion de fichier ..67
7.1. Le but des objets externes 67
7.1.1. Les objets externes comme outils d'échange d'informations . 67
7.1.2. Les objets externes comme outils de mémorisation à long terme .. 68
7.2. La manipulation des objets externes par le programme 69
7.2.1. La notion de fichier 69 7.2.2. Le fichier séquentiel .. 69
7.2.3. Le fichier séquentiel de texte . 70
7.2.4. Le fichier à accès aléatoire . 70
7.3. La liaison entre le fichier et l'objet externe . 71
7.3.1. L'établissement de la liaison .. 71
7.3.2. Représentation interne d'un fichier . 71 7.4. Conclusion 72
8 Implantation des objets externes sur disque 73
8.1. La linéarisation de l'espace disque .. 73
8.2. Allocation par zone . 74
8.2.1. Implantation séquentielle simple . 74
8.2.2. Implantation séquentielle avec extensions fixes . 75
8.2.3. Implantation séquentielle avec extensions quelconque 76
8.3. Allocation par blocs de taille fixe . 77
8.3.1. Implantation par blocs chaînés . 77
8.3.2. Implantation par blocs à plusieurs niveaux 78
8.4. Représentation de l'espace libre 79
8.4.1. Notion de quantum . 79
8.4.2. Représentation par table de bits 80
8.4.3. Représentation par liste des zones libres . 81 8.5. Conclusion 81 9 La désignation des objets externes ..83
9.1. La définition d'une liaison 83
9.2. La notion de volume 84
9.2.1. La structuration d'un volume . 84
9.2.2. Le montage de volume . 85
9.2.3. La relation entre volume et support 86
9.3. La notion de répertoire .. 86
9.3.1. Le répertoire sur bande magnétique .. 86
9.3.2. Répertoire simple sur disque . 87
9.3.3. Arborescence de répertoires .. 87
9.4. Construction d'une arborescence unique à la Unix . 88
9.4.1. Les fichiers spéciaux comme périphériques .. 89
9.4.2. Le montage de volume dans Unix .. 89
9.4.3. Les fichiers multi-répertoires 90
9.4.4. La désignation par rapport à l'environnement .. 91 Table des matières
9.5. Conclusion 92
10 La sécurité et la protection des objets externes ..93
10.1. Les mécanismes de protection . 93
10.1.1. La protection par droits d'accès . 93
10.1.2. La protection par mot de passe .. 94
10.2. Les mécanismes de sécurité . 95
10.2.1. La sécurité par redondance interne .. 95
10.2.2. La sécurité par sauvegarde périodique .. 95
10.2.3. Les disques à tolérance de panne . 97 10.3. Conclusion . 98 11 Quelques exemples de SGF ..99
11.1. Les systèmes FAT et VFAT . 99
11.1.1. Représentation de l'espace 99
11.1.2. Les répertoires 99
11.2. Les systèmes HFS et HFS Plus de MacOS 100
11.2.1. La représentation de l'espace 100 11.2.2. Les répertoires . 101
11.2.3. Cohérence du SGF . 102
11.2.4. Le système HFS Plus 102
11.3. Le système NTFS 103
11.3.1. Les descripteurs de fichiers .. 103
11.3.2. Les Répertoires 104
11.3.3. Compression de données 104
11.3.4. Sécurité par fichier journal 105
11.4. Le système ext2fs de Linux 105
11.4.1. La représentation de l'espace 106
11.4.2. Les répertoires . 106
11.4.3. Sécurité 107 11.5. Structuration en couche du système .. 107
Quatrième Partie: Environnement physique .105
12 La gestion des processus ..111
12.1. La notion de processus . 111
12.2. La hiérarchie de processus . 112
12.2.1. Un nombre fixe de processus banalisés .. 113
12.2.2. La création dynamique de processus 113
12.2.3. L'exemple de Unix 113
12.3. La notion de ressources 114
12.4. Les états d'un processus 115 12.5. Conclusion .. 116
13 Synchronisation et communication entre processus ..119
13.1. Les mécanismes de synchronisation .. 119
13.1.1. Les verrous 120
13.1.2. Les sémaphores .. 120
13.1.3. Les mécanismes plus élaborés . 121
13.2. La communication entre processus 122 Table des matières
13.2.1. Le schéma producteur-consommateur . 122
13.2.2. Les tubes Unix . 123
13.2.3. La communication par boîte aux lettres . 124
13.3. Les conséquences sur les temps de réponse .. 124
13.4. La notion d'interblocage .. 125
13.5. La notion de famine 127 13.6. Conclusion .. 128 14 La gestion de la mémoire centrale ..129
14.1. La notion de multiprogrammation .. 129
14.1.1. L'intérêt de la multiprogrammation .. 129
14.1.2. Les conséquences de la multiprogrammation . 130
14.1.3. Les difficultés du partitionnement . 131
14.2. La notion de mémoire segmentée 132
14.3. Le mécanisme de pagination . 133
14.3.1. La pagination à un niveau . 133
14.3.2. La pagination à deux niveaux .. 135 14.3.3. La segmentation vis à vis de la pagination 136
14.3.4. Le principe de la pagination à la demande 136
14.4. La notion d'espace de travail . 138 14.5. Conclusion .. 138 15 Le langage de commandes ..141
15.1. Le langage issu du traitement par lot . 141
15.2. Le langage interactif .. 142
15.2.1. Le message d'invite .. 142
15.2.2. Un langage orienté verbe 142
15.2.3. La gestion de l'environnement . 142
15.2.4. Le traitement préliminaire de la commande . 143
15.2.5. L'exécution de la commande 144
15.3. Les structures de contrôle du langage de commandes . 144
15.4. Le langage à base de menus ou d'icônes . 145 15.5. Conclusion .. 145
Bibliographie 147
Index .149
1 Évolution historique de l'utilisation des ordinateurs
A l'origine, les ordinateurs étaient utilisés pour des besoins spécifiques, par une population réduite de personnes qui connaissaient tous les aspects de leur exploitation. Des raisons économiques, d'adéquation aux besoins, d'amélioration de performances, etc , ont entraîné une évolution de cette exploitation. Cette évolution a conduit à l'introduction de plusieurs concepts successifs. Un rappel historique permet la présentation de ces concepts et leur justification.
Initialement, les périphériques des ordinateurs se résumaient en un lecteur de cartes, un perforateur de cartes, et une imprimante. Le mode de fonctionnement était assez simple, vu de l'utilisateur, puisque l'exécution d'un programme consistait à mettre dans le lecteur de cartes un paquet contenant la forme “binaire” du programme suivie des données. Après lecture du programme, l'ordinateur en lançait l'exécution, les résultats étant obtenus sous forme d'un paquet de cartes perforées, ou de lignes imprimées (figure 1.1).
Fig. 1.1.Fonctionnement en programmes autonomes.
La constitution de la forme binaire était peut-être un peu compliquée. Il est en effet apparu très vite que l'écriture de programmes devait être aidée de façon à éviter la conception directe en forme binaire. Les langages d'assemblage ou de haut niveau, FORTRAN par exemple, sont apparus très tôt. Le programmeur constituait une suite de cartes contenant le texte source de son programme, dont il obtenait une traduction sous forme binaire au moyen de l'exécution successive de divers programmes standards (les “passes” du compilateur). Ainsi l'exécution d'un programme FORTRAN, perforé sur un paquet de cartes ps, pouvait, par exemple, demander les étapes suivantes:
- exécution de la passe 1 du compilateur avec comme données ps, et fournissant un paquet de cartes pi, forme intermédiaire pour le compilateur,
- exécution de la passe 2 du compilateur avec comme données pi, et fournissant un paquet de cartes pb, forme binaire du programme,
- exécution de pb sur ses données.
A la fin de l'exécution de la passe 2, pi peut être jeté, car il ne sert plus à rien.
Le concept de base de ce mode de fonctionnement était la notion d'amorçage. La mise en route (ou la réinitialisation) de l'ordinateur lance l'exécution d'un programme cablé de quelques instructions (l'amorce cablée), qui met le matériel en position de lecture d'une carte, dont le contenu sera mémorisé dans un emplacement fixe de la mémoire. Dès que cette carte est lue, le matériel exécute l'instruction qui se trouve à cet emplacement fixe. Le contenu de cette première carte doit donc être un court programme qui assure le chargement en mémoire des cartes qui suivent, et le lancement du programme correspondant. D'où le terme d'amorce logicielle (bootstrap en anglais). Notons que ce concept est toujours utilisé sur les ordinateurs d'aujourd'hui, lors de leur mise en route ou de leur réinitialisation; le seul changement intervenu est de pouvoir amorcer la machine depuis n'importe quel périphérique, et non plus à partir de cartes perforées.
Ce mode de fonctionnement correspondait assez bien à la structure purement séquentielle de l'ordinateur. Le matériel était conçu pour exécuter les instructions du programme sans intervention extérieure possible, en dehors de la réinitialisation. Ainsi la lecture d'une carte commençait lorsque le programme faisait appel à l'instruction correspondante, cette instruction se terminant lorsque la carte avait été lue sans erreur en mémoire.
Ce mode de fonctionnement attire les remarques suivantes:
- Seul l'enchaînement des instructions d'un programme est automatique.
- Le matériel est en général sous employé, du fait des manipulations humaines entre deux activités.
- L'utilisation sous forme de vacations (réservation pendant une certaine durée par un utilisateur unique), accentue le sous-emploi, et entraîne la manipulation de paquets de cartes importants (les passes d'un compilateur) par de nombreuses personnes.
- Les programmes sont écrits pour fonctionner sur une “machine nue”, puisque la totalité du logiciel est chargé par l'amorce. On dit aussi que l'on a un fonctionnement en autonome (stand alone en anglais).
Notons que le mode d'utilisation des micro-ordinateurs individuels s'apparentent à celui-ci, avec remplacement des cartes par les disquettes. La fonctionnalité a néanmoins été améliorée, et les programmes ne fonctionnent plus tout à fait sur une machine nue.
L'émergence des supports magnétiques (bandes initialement) a tout d'abord permis la conservation des programmes binaires importants sur ce support. Il a fallu alors définir des outils spécifiques de gestion de ces périphériques, pour permettre aux utilisateurs de retrouver facilement ces programmes. Simultanément, pour améliorer la rentabilité des machines, on a imaginé l'introduction du moniteur d'enchaînement des travaux, qui est un programme particulier activé automatiquement à la fin de l'exécution de chaque programme utilisateur, et dont le but est d'assurer alors la lecture en mémoire et le lancement du programme utilisateur suivant (figure 1.2).
Fig. 1.2.Moniteur d'enchaînement des travaux.
Dans ce contexte, l'utilisateur prépare un paquet de cartes représentant son travail (job en anglais), et qui est constitué d'une ou plusieurs étapes (steps). Chaque étape correspond à un programme dont l'exécution est demandée par l'utilisateur sur un jeu de données particulier. Ce programme peut être un des utilitaires conservés sur bande, tel qu'un compilateur, ou le résultat d'une étape précédente mémorisé temporairement sur bande.
Le moniteur d'enchaînement joue le rôle du programme de l'amorce logicielle vu en 1.1.1, et assure le chargement et l'exécution successifs de chacun des programmes définis par les étapes des travaux des différents utilisateurs. Pour cela trois concepts ont été introduits:
- Le langage de commande est interprété par le moniteur, et permet à l'utilisateur de préciser en quoi consiste le travail. C'est donc le moyen de communication entre l'utilisateur et le moniteur d'enchaînement des travaux.
- La protection des données et des instructions du moniteur est nécessaire pour éviter qu'un programme utilisateur ne vienne les détruire.
- Le superviseur d'entrées-sorties est un ensemble de sous-programmes résidents en machine, qui assurent le contrôle des opérations d'entrées-sorties des programmes des utilisateurs. Ce contrôle est nécessaire pour garantir que chaque travail d'un utilisateur ne sera pas perturbé par les actions intempestives des autres.
Ce mode de fonctionnement attire les remarques suivantes:
- L'utilisateur n'a plus accès directement à la machine, mais utilise les services d'un opérateur.
- Il y a enchaînement automatique des programmes.
- Le débit des travaux (throughput en anglais), c'est-à-dire le nombre de travaux par unité de temps, est amélioré.
- Le temps de réponse, c'est-à-dire le délai qui sépare le moment où l'utilisateur donne son programme et celui où il obtient le résultat, est augmenté.
- L'utilisateur ne peut plus agir sur son programme durant l'exécution.
Les opérations d'entrées-sorties relatives aux cartes et aux imprimantes sont, en général, longues par rapport aux performances des machines. Comme le moniteur d'enchaînement impose que ces opérations soient exécutées par le superviseur d'entrées-sorties, au lieu de l'être directement par le programme, celui-ci peut réaliser différemment ces opérations, pourvu que le résultat soit le même pour l'utilisateur. Aussi, pour améliorer la rentabilité de l'ordinateur de traitement, on a imaginé de transférer les cartes sur une bande, en utilisant un ordinateur spécifique et bon marché, et de faire lire cette bande, à la place des cartes, par le moniteur d'enchaînement des travaux. De même, les résultats d'impression sont transférés sur bande dans l'ordinateur principal, et la bande est ensuite lue par l'ordinateur spécifique pour être imprimée (figure 1.3).
Fig. 1.3.Traitement par lot avec ordinateur spécialisé d'entrées-sorties.
Ce mode de fonctionnement attire les remarques suivantes:
- Le débit des travaux est amélioré.
- Le temps de réponse est augmenté, car le transport des bandes n'est effectué que lorsqu'un nombre important de travaux y est mémorisé. On parle de train de travaux.
Il est apparu très vite que la réalisation matérielle d'une opération d'entrées-sorties par le processeur de calcul conduisait à une mauvaise rentabilité de la machine. Les concepteurs du matériel ont donc introduit des processeurs spécialisés qui prenaient en charge ces opérations de façon autonome (voir le chapitre suivant). Il était ainsi possible de poursuivre les traitements pendant l'exécution de l'opération. Ceci a permis de connecter de nouveau les périphériques de type lecteur de cartes ou imprimante sur l'ordinateur principal, et de supprimer l'ordinateur secondaire. Le superviseur d'entrées-sorties assure la lecture des cartes dans une zone dédiée de mémoire centrale, avant que le programme n'en ait effectivement besoin, permettant ainsi de satisfaire immédiatement sa demande ultérieure. De même, lorsque le programme demande une impression, celle-ci est remplacée par une recopie dans une zone dédiée de mémoire centrale, le superviseur assurant l'impression du contenu de cette zone ultérieurement.
Ce mode de fonctionnement n'a été rendu possible que par l'introduction du mécanisme d'interruption, permettant à un dispositif extérieur d'arrêter momentanément le déroulement normal d'un programme pour exécuter un traitement spécifique. Nous reviendrons plus en détail sur ce mécanisme dans le chapitre suivant. Par exemple, lorsque le lecteur de cartes a fini le transfert du contenu de la carte dans la mémoire centrale, il le signale au superviseur par le biais d'une interruption. Celui-ci peut alors commander la lecture de la carte suivante dans un autre emplacement mémoire. De même, l'imprimante signale au superviseur, par une interruption, la fin de l'impression d'une ligne. Celui-ci peut alors commander l'impression de la ligne suivante si elle est disponible.
Ce mode de fonctionnement attire les remarques suivantes:
- Le temps de réponse est amélioré, puisqu'il n'est plus nécessaire de remplir une bande pour pouvoir la transférer depuis (ou vers) l'ordinateur secondaire d'entrées-sorties.
- La rentabilité du système est améliorée par la récupération au niveau processeur de traitement des temps des opérations d'entrées-sorties devenues autonomes.
- La réservation de tampons d'entrées-sorties en mémoire centrale est une solution coûteuse (surtout à l'époque où les tailles de mémoire centrale étaient faibles par rapport à celles que l'on trouve aujourd'hui!). L'évolution naturelle est d'étendre ces zones sur disque (figure 1.4).
Fig. 1.4.Entrées-sorties tamponnées.
Les méthodes vues jusqu'alors, si elles améliorent la rentabilité des machines, atteignent cependant leurs limites. En effet, lorsqu'un programme s'exécute, il n'est pas possible de supprimer complètement les temps des opérations d'entrées-sorties. Le tamponnement, ainsi qu'il a été introduit ci-dessus, n'apporte qu'une solution partielle, du fait de la taille limitée du tampon. Par ailleurs, il n'est guère envisageable pour les périphériques à accès aléatoire tels que les disques. Les temps d'unité centrale laissés disponibles par un programme pendant ses entrées-sorties, peuvent être récupérés par d'autres programmes indépendants s'ils sont également présents en mémoire centrale à ce moment. C'est ce que l'on appelle la multiprogrammation (figure 1.5).
Fig. 1.5.Moniteur de multiprogrammation.
Constatons tout d'abord que, pour mettre plusieurs programmes simultanément en mémoire, il faut avoir de la place. La multiprogrammation a pu être développée grâce à l'augmentation de la taille des mémoires centrales conjointement à une diminution considérable de leur coût.
La mise en œuvre de la multiprogrammation nécessite le renforcement de certains mécanismes qui ont déjà été présentés:
- La protection des données et des instructions du moniteur doit maintenant être étendue aux données et instructions d'un programme par rapport aux autres, de façon à permettre l'isolation de chacun des utilisateurs dans un univers partagé.
- Le superviseur d'entrées-sorties doit contrôler l'accès aux ressources de la machine, et assurer la gestion de ces ressources (allocation, contrôle, restitution).
- Le mécanisme d'interruption est au centre de l'allocation du processeur. Signalant la fin d'une opération d'entrées-sorties, l'interruption a en général pour effet de permettre au programme demandeur de poursuivre son exécution (figure 1.6).
- La notion de système d'exploitation apparaît avec la nécessité de gérer l'ensemble du matériel et du logiciel mis à la disposition d'utilisateurs simultanés.
En a, le système d'exploitation prend le contrôle pour lancer l'entrée-sortie demandée par le travail n° 1, et donner l'unité centrale au travail n° 2. Il en va de même en b pour l'entrée-sortie demandée par le travail n° 2. Lors de la fin de l'entrée-sortie n° 1, une interruption donne le contrôle au système
d'exploitation qui peut en conséquence relancer le travail n° 1 qui était en attente.
Fig. 1.6.Fonctionnement simplifié de la multiprogrammation.
Ce mode de fonctionnement attire les remarques suivantes:
- L'amélioration de la rentabilité de la machine est obtenue en la partageant entre plusieurs programmes simultanés, conduisant à une meilleure utilisation de l'ensemble des ressources.
- Il est possible de s'abstraire de la séquentialité originelle des travaux. Le système assure le transfert sur disque des programmes dès qu'ils sont disponibles. Lorsqu'il y a de la place libre en mémoire, il choisit l'un des travaux sur disque en fonction de paramètres variés, et non plus dans l'ordre d'arrivée. Il est ainsi possible de diminuer le temps de réponse pour les travaux courts.
- Il est possible de déporter les organes d'entrées-sorties du type cartes et imprimantes, en les reliant à l'ordinateur central par des lignes téléphoniques spécialisées. Les travaux qui sont entrés par ce moyen sont traités de la même façon que les autres, les résultats étant délivrés par le système sur l'imprimante déportée.
Les ordinateurs peuvent aussi être spécialisés pour le contrôle de procédés. Par analogie avec ce qui précède, les interruptions vont permettre de déclencher des programmes spécifiques de lecture d'informations sur des capteurs, de mémorisation de ces valeurs, ou d'envoi de commandes à l'extérieur. Lorsque aucune activité de ce type (travaux en avant plan ou foreground en anglais) n'est à exécuter, l'ordinateur peut être utilisé pour des travaux en arrière plan (background en anglais). Les travaux en avant plan correspondent aux activités du superviseur vues au paragraphe précédent, alors que les travaux en arrière plan correspondent aux travaux des utilisateurs (figure 1.7).
Fig. 1.7.Contrôle de procédés industriels.
L'évolution qui ressort des étapes ci-dessus conduit à un éloignement entre l'utilisateur et la machine. Il était naturel que l'on cherche à retrouver certaines fonctionnalités intéressantes de l'utilisation en portes ouvertes, sans en avoir les inconvénients. Constatant qu'un utilisateur est satisfait s'il passe beaucoup plus de temps à réfléchir au travail qu'il va demander qu'à attendre le résultat de ce travail, ce temps de réflexion peut être mis à profit par l'ordinateur pour répondre aux besoins des autres utilisateurs. L'ensemble des ressources de la machine est partagé entre un ensemble d'utilisateurs, chacun d'eux ayant l'impression qu'il a la machine pour lui tout seul (figure 1.8).
La conception d'un système en temps partagé a nécessité l'introduction de l'horloge temps réel, en plus des mécanismes déjà vus.
Fig. 1.8.Système en temps partagé.
- L'horloge temps réel est un dispositif matériel externe qui provoque des interruptions à des instants réguliers. Ces interruptions sont au centre de l'allocation du processeur, et permettent de répartir équitablement le temps du processeur entre les différents programmes utilisateurs.
- Le mécanisme des interruptions et la notion de superviseur permet la gestion d'un ensemble de terminaux.
- La multiprogrammation permet d'optimiser l'utilisation de l'unité centrale pendant les opérations d'entrées-sorties des programmes des utilisateurs.
En réalité, c'est un peu plus complexe, dans la mesure où il n'est pas raisonnable de laisser un programme d'un utilisateur en mémoire pendant que cet utilisateur réfléchit, car ce temps de réflexion est souvent de l'ordre de 30 secondes. En général il est préférable de mémoriser ce programme sur disque pendant ce temps, et de le rappeler en mémoire lorsque nécessaire. Ceci a été rendu possible par des techniques de va-et-vient (swapping en anglais) ou de mémoire virtuelle.
Par ailleurs le grand nombre d'utilisateurs ayant des activités voisines implique qu'un même programme peut être en cours d'exécution pour plusieurs utilisateurs à la fois (un compilateur par exemple). Ceci a conduit à la conception de programmes réentrants: un seul exemplaire du programme capable de traiter en même temps plusieurs jeux de données.
Le temps partagé s'adresse plutôt à l'utilisateur qui désire concevoir, mettre au point et utiliser des programmes. Le développement des terminaux a conduit à s'intéresser aux utilisateurs qui désirent exploiter des applications spécifiques orientées vers la saisie et la consultation d'informations conservées dans des fichiers. Il ne s'agit plus alors de mettre à leur disposition une machine, mais de leur permettre d'effectuer sur des données, qu'ils ont mises en commun, des opérations préprogrammées qui demandent un temps d'unité centrale assez bref. Ceci conduit à gérer l'ordinateur et les terminaux de façon spécifique pour améliorer les temps de réponses vus de l'utilisateur.
Par rapport aux concepts évoqués jusqu'alors, le partage d'informations est ici fondamental, alors qu'il était secondaire dans les modes précédents. Ce partage peut couvrir les données proprement dites, mais aussi les instructions qui décrivent les opérations. Pour gérer ce partage et garder la cohérence de ces données partagées, on introduit la notion de transaction.
De plus la conservation des données, quoi qu'il arrive, est aussi exigée par les utilisateurs. Il faut donc mettre en œuvre des mécanismes de sauvegarde appropriés.
L'abaissement des coûts des matériels a permis la conception d'ordinateurs individuels dont les performances avoisinnent celles des ordinateurs de moyenne puissance des années 1970-1980. Ceci n'a pas eu pour conséquence la remise en cause des concepts de base des systèmes d'exploitation. L'utilisateur, habitué à une fonctionnalité fournie sur les gros systèmes, désire retrouver cette fonctionnalité agrémentée d'une meilleure convivialité sur sa machine personnelle.
D'un point de vue général, le poste de travail a d'abord été conçu de façon autonome, utilisé par une seule personne. En ce sens, le système lui-même avait des fonctionnalités simplifiées proches de celles des premiers systèmes. L'exemple type est MSDOS. Les performances de mémoires centrales ont ensuite permis de définir directement par logiciel et point par point, le contenu de l'image qui est affichée à l'écran 25 fois par secondes. Les fonctionnalités du système se sont alors naturellement étendues vers les aspects graphiques et l'interactivité au moyen de la souris, avec l'apparition des premiers MacIntosh au début des années 1980. Ceux-ci étaient déjà organisés en un petit réseau local permettant le partage de fichiers et d'imprimantes entre les utilisateurs. Par la suite, les recherches poursuivies au MIT ont conduit à la sortie d'un produit X-Window, à la fin des années 1980, qui permettait la séparation entre le programme de gestion de l'écran graphique situé sur une machine et celui de l'application elle-même de l'utilisateur situé sur une autre machine, la coopération entre les deux programmes passant par le réseau, selon un mode client-serveur. On appelle ainsi le mode de fonctionnement où l’un des programmes, appelé client, ici l’application, demande un traitement spécifique (service) à l’autre, appelé le serveur, ici la gestion de l’écran.
La généralisation des postes de travail en réseau et l’interconnexion des réseaux ont conduit au world wide web ou toile mondiale, où un programme, appelé navigateur, installé sur le poste de travail de l’utilisateur, permet à celui-ci d’obtenir, depuis des serveurs situés n’importe où, des informations qui sont mises en page par le navigateur.
Deux aspects importants découlent de ces utilisations:
- L'interface homme-machine doit permettre une grande facilité d'utilisation par un nonspécialiste. La puissance de calcul locale permet de satisfaire les besoins d'affichage.
- La communication entre ordinateurs distants est une nécessité, pour assurer le partage d'un ensemble de ressources matérielles et logicielles entre les différentes stations de travail. Elle conduit à la conception de systèmes répartis, construits autour de réseaux locaux.
L'amorce (bootstrap) est un petit programme qui est chargé en mémoire en une seule opération d'entrée lors de la mise en route de l'ordinateur, et dont l'exécution permet le chargement et le lancement d'un programme plus important.
Un programme autonome (stand alone) est un programme capable de s'exécuter sur une machine nue.
Un moniteur d'enchaînement des travaux est un programme spécifique qui assure, à la fin d'exécution d'un programme utilisateur, le chargement et l'exécution du suivant de façon automatique.
Le langage de commande permet à l'utilisateur de définir la suite des programmes dont il veut voir l'exécution.
Le superviseur d'entrées-sorties est un ensemble de sous-programmes qui assure le contrôle et la bonne exécution des entrées-sorties pour le compte des programmes des utilisateurs.
Le mécanisme d'interruption est le mécanisme qui permet à un organe matériel externe d'interrompre le déroulement normal du processeur pour lui demander d'exécuter un travail spécifique et bref.
La multiprogrammation consiste à mettre plusieurs programmes en mémoire centrale au même moment de façon à pouvoir exécuter l'un d'entre eux pendant que les autres sont en attente de la fin d'une entrée-sortie.
La protection mémoire est un dispositif matériel qui permet d'empêcher un programme d'accéder en mémoire à des données qui ne lui appartiennent pas.
Le temps partagé consiste à partager dans le temps les ressources de la machine entre les utilisateurs, de telle sorte que chacun d'eux ait l'impression d'avoir la machine pour lui seul.
Le système d'exploitation est le logiciel chargé de gérer l'ensemble du matériel et du logiciel à la disposition des utilisateurs et qu'ils se partagent.
Le débit des travaux est le nombre moyen de travaux exécutés par la machine en un temps donné.
Le temps de réponse est le délai qui sépare le moment où l'utilisateur soumet sa commande et le moment où il obtient le résultat.
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Rappels d'architecture matérielle
Pour comprendre le rôle et les fonctionnalités des systèmes d'exploitation, il est nécessaire d'appréhender ce qu'est une “machine nue”, c'est-à-dire quels sont les constituants matériels d'un ordinateur, et quels en sont les principes de fonctionnement.
En première approche, un ordinateur est constitué d'un processeur qui effectue les traitements, d'une mémoire centrale où ce processeur range les données et les résultats de ces traitements et de périphériques permettant l'échange d'informations avec l'extérieur. Tous ces constituants sont reliés entre eux par l'intermédiaire d'un bus, qui est l'artère centrale et leur permet de s'échanger des données (figure 2.1.). Pratiquement tous les ordinateurs actuels ont cette architecture, que ce soient les micro-ordinateurs personnels ou les gros ordinateurs des entreprises. Les différences résident essentiellement dans les performances des constituants.
Fig. 2.1.Architecture générale d'un ordinateur.
La mémoire est un organe passif, qui répond à des ordres indiqués par les fils de contrôle du bus. En réponse à un ordre d'écriture, elle range la valeur représentée par les fils de données du bus dans un emplacement défini par les fils d'adresse du bus. En réponse à un ordre de lecture, elle fournit sur les fils de données du bus la valeur mémorisée à l'emplacement défini par les fils d'adresses. Le nombre de fils de données du bus définit le nombre de bits des emplacements mémoire. C'est une caractéristique importante pour les performances de l'ordinateur, puisqu'il détermine le nombre de bits pouvant être lus ou écrits en mémoire par une seule opération. Le nombre de fils d'adresse du bus définit la taille maximale de la mémoire centrale. Le bus est géré par un contrôleur, parfois intégré au processeur, qui empêche son utilisation simultanée par plusieurs organes.
Le processeur est l'organe qui effectue les traitements suivant un “algorithme” défini par le programmeur. Il est constitué essentiellement de trois parties (figure 2.2):
- L'unité arithmétique et logique (U. A. L.) est capable d'effectuer les opérations élémentaires habituelles sur des valeurs binaires, telles que l'addition, la soustraction, le “ou” logique, les décalages, etc
- Les registres permettent de mémoriser des résultats intermédiaires ou des états particuliers du processeur. Ils sont en général en petit nombre, mais d'accès très rapide. Certains ont un rôle particulier, comme l'accumulateur, le compteur ordinal ou le registre instruction.
- Le décodeur-séquenceur contrôle l'exécution des différentes phases des instructions.
Le principe de fonctionnement est assez simple. Le décodeur-séquenceur répète indéfiniment la séquence d'opérations suivante:
- lecture mémoire à l'adresse indiquée par le compteur ordinal, et rangement du résultat dans le registre instruction,
- décodage de cette instruction pour en exécuter les différentes phases.
