Hugues DELALIN
Departement Service et Réseaux de Communication IUT de Lens - Université d’Artois
Année 2005/2006 - SRC 1ère année Comprendre le fonctionnement système, matériel et logiciel d’un ordinateur dans son contexte de travail.
Cours : 3*2h - Historique, architecture, systèmes d’exploitation
TD : 3*2h - Application du cours et pratique
TP : 6*2h - Découverte de Linux et du langage de commande C-shell
Chapitre I : Histoire de l’informatique
Chapitre II : Architecture des ordinateurs
Chapitre III : Systèmes d’exploitation
La «Préhistoire» : -40000 à 1945
Les premiers ordinateurs : 1946 à 1955
La mini-informatique : 1956 à 1970
La micro-informatique : 1971 à nos jours Chapitre I : Histoire de l’informatique
Chapitre II : Architecture des ordinateurs
Chapitre III : Systèmes d’exploitation
Chapitre I : Histoire de l’informatique
Chapitre II : Architecture des ordinateurs
Chapitre III : Systèmes d’exploitation
La «Préhistoire» : -40000 à 1945
Les premiers ordinateurs : 1946 à 1955
La mini-informatique : 1956 à 1970
La micro-informatique : 1971 à nos jours −9000 Calculi : billes, cônes et bâtonnets Sumériens.
−3000 Empereur chinois Fou-Hi : octogone à trigramme.
−1100 Invention du boulier en Chine.
−300 Aristote définit ce qu’est la logique.
1615 Bâtons de Neper (Napier)
1623 Wilhelm Schickard invente une horloge calculante.
1632 La règle à calcul par Oughtred.
1642 La Pascaline est mise au point.
1679 L’arithmétique binaire est mise au point par Leibnitz.
1694 Machine à calculer (multiplications et divisions).
1728 Falcon : métier à tisser par cartes perforées.
1820 Charles-Xavier Thomas de Colmar : l’arithmomètre. 1833 Babbage : concepts de ce que sera un ordinateur.
1840 Ada Lovelace processus logique d’execution = algorithme. 1854 Boole : processus logique = suite opérations logiques 2 états 1884 Tabulatrice à cartes perforées pour recensement (Hollerith).
1886 Felt : Comptometer (touches).
1889 Léon Bollée : machine à multiplication directe.
1892 Burroughs : machines à calculer de bureau.
1896 Hollerith : Tabulating Machine Corporation.
1904 Invention du 1er tube à vide, la diode, par Flemming.
1907 Invention de la triode par Lee De Forest.
1919 Circuit bi-stable, basculeur d’Eccles et Jordan.
1924 Tabulating Machine Corporation devient IBM.
1935 IBM 601, une multiplication par seconde.
1937 Machines de Turing.
1938 Thèse de Shannon, définition du chiffre binaire : le bit.
1939 Atanasoff et Berry : additionneur 16 bits par tubes à vide. 1940 Calculateurs pour déchiffrer les messages allemands (Turing 1941 Calculateur à algèbre de Boole : ABC (Atanasoff Berry).
1941 Zuse conçoit le Z3, 1er ordinateur (programme en mémoire).
1943 ASCC Mark 1 par Howard Aiken (électro-mécanique).
1945 Un insecte bloque Mark 1 : Bug.
1945 John Von Neuman décrit l’EDVAC (architecture ordinateurs) La «Préhistoire» : -40000 à 1945
Les premiers ordinateurs : 1946 à 1955
La mini-informatique : 1956 à 1970
La micro-informatique : 1971 à nos jours 1946 ENIAC (19000 tubes, 30 tonnes, 72m2, 140kW) plus rapide même équipe conçoit, programme et administre la machine pas de langage de programmation
1950 Invention de l’assembleur par M. V. Wilkes.
1951 Mémoire de masse de 1 Mbits : ERA 1101.
1951 Compilateur A0 par G. M. Hopper.
1953 Mémoire à tores de ferrite.
1955 IBM 704 dédié aux calculs scientifiques (5 kFLOPS).
La «Préhistoire» : -40000 à 1945
Les premiers ordinateurs : 1946 à 1955
La mini-informatique : 1956 à 1970
La micro-informatique : 1971 à nos jours 1956 TRADIC : 1er ordinateur à transistors. seconde génération d’ordinateurs.
1956 IBM : 1er disque dur, le RAMDAC 305.
1957 TX0 : 18 bits, 3500 transistors, 83000 instr./s, 1000 Watts, mémoire de 65536 mots, clavier, ecran graphique
1957 Langage de programation universel : FORTRAN par Backus.
1958 Démonstration du 1er circuit intégré par Texas Instrument.
1959 ATLAS I : mémoire virtuelle et multiprogramation.
1961 Fairchild Semiconductors : série de circuits intégrés.
1964
1964 Création du code ASCII normalisé en 1966 par l’ISO.
1964 CDC 6600 par Seymour Cray (3 MIPS).
1964 Début du projet MULTICS, multi-utilisateurs.
1965 Illiac IV, ordinateur à architecture vectorielle (200MIPS).
1969 Mise au point d’UNIX sur Dec PDP 7.
1970 Développement du langage B pour UNIX.
1970 Première puce mémoire développée par Intel.
La «Préhistoire» : -40000 à 1945
Les premiers ordinateurs : 1946 à 1955
La mini-informatique : 1956 à 1970
La micro-informatique : 1971 à nos jours 1971 Intel vend le micro-ordinateur MCS-4basé sur le 4004.
1971 Ritchie reprend le langage B -> langage C sur PDP/11.
1972 microprocesseur 8 bits par Intel : 8008.
1972 Fondation d’ATARI par Dabney, borne de jeu d’arcade.
1972 Création d’un langage orienté objet : SmallTalk.
1973 Premier système d’exploitation pour micros : CP/M.
1975 Compagnie de B. Gates et P. Allen devient Micro-Soft. 1976 Création d’Apple par Jobs et Wozniak (programme moniteur) 1976 Microprocesseur 16 bits par Texas Instrument.
1977 TRS 80 de Tandy (Z80, 4 Ko de ROM et RAM, clavier).
1977 Atari présente la console de jeux VCS (Atari 2600).
1978 Intel 8086 : 16 bits, 4,77MHz, 1Mo de RAM.
1979 Taito lance le célèbre jeu Space Invaders.
1979 Apple ][ Plus 48 ko de RAM pour 1195$.
1981 Commodore présente le VIC 20, processeur 6502A.
simple à utiliser grâce au Basic meilleur marché (300$) applications disponibles en grand nombre
1981 Sinclair annonce le ZX 81 (200$).
1981 IBM lance son 5150 Personal Computer.
1982 Intel 80286, 16 bits, 6 MHz, 134000 transistors, 0.9 MIPS.
1982 Microsoft commercialise MS/DOS 1.1 pour IBM/PC.
1982 Sortie du Commodore 64.
1982 Compaq Portable PC, compatible PC d’IBM.
1982 Thomson commercialise le TO 7.
1983 IBM PC XT avec MS/DOS 2.0.
1983 Développement du C++ par Stroustrup.
1984 Apple Macintosh : interface graphique pilotée à la souris. 1984 Microsoft présente Interface Manager (qui deviendra Window 1984 Sortie du PC AT d’IBM basé sur le 80286.
1984 Amstrad commercialise le CPC 464, 8 bits, famillial.
1984 Thomson quant à lui sort le MO 5.
1985 Sortie des Atari 130 ST et 520 ST.
1985 Sortie de Microsoft Windows 1.0.
1985 Sortie de l’Amiga 1000.
1985 Sortie du processeur 32 bits d’Intel : 80386DX, 16MHz. 1985 Chips & Technologies : 5 composants (chipset) pour PC AT 1986 Sortie du Deskpro 386 par Compaq.
Comprendre le fonctionnement d’un ordinateur à bas niveau.
Informations de différents types.
Représentation et manipulations en binaire (bits).
Codage = changement de représentation.
Binaire car réalisé à l’aide de bistables (transistors).
Opérations arithmétiques faciles à exprimer en base 2.
Système décimal pour nombres.
10 symboles distincts : les chiffres.
En base b, on utilise b chiffres.
En décimal, b= 10, {0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9} ;
En binaire, b= 2, {0, 1} ;
En héxadécimal, b= 16, {0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B, C,
D, E, F} ;
En base 10, on a par exemple : 1996 = 1 ∗ 103 + 9 ∗ 102 + 9 ∗ 101 + 6 ∗ 100
Dans le cas général, en base b, on a :
ananbi où a0 (resp. an) est le chiffre de poids faible (resp. fort).
Exemple : En base 2, (101)2 = 1 ∗ 22 + 0 ∗ 21 + 1 ∗ 20 = 5
Nombres à chiffres après la virgule.
En décimal, on écrit :
12.346 = 1 ∗ 101 + 2 ∗ 100 + 3 ∗ 10−1 + 4 ∗ 10−2 + 6 ∗ 10−3
En général, en base b :
ananbi
Il suffit d’écrire le nombre comme suit et d’effectuer les calculs en décimal. Exemple en hexadécimal : (AB)16 = 10 ∗ 161 + 11 ∗ 160 = 160 + 11 = (171)10 (en hexadécimal, A=10, B=11, , F=15).
Nombres entiers : On procède par divisions successives par la base. Exemple de (44)10 converti en binaire.
44/2 = 22 reste 0.
22/2 = 11 reste 0.
11/2 = 5 reste 1.
5/2 = 2 reste 1.
2/2 = 1 reste 0.
1/2 = 0 reste 1.
(44)10 = (101100)2
Nombres fractionnaires : Pour la partie entière, on procède comme pour les entiers. Pour la partie fractionnaire, on multiplie la partie fractionnaire par la base jusqu’à ce qu’elle soit nulle (ou que l’on ait atteint la précision voulue).
Exemple de (44.25)10 converti en binaire.
(44)10 = (101100)2 0.25 ∗ 2 = 0.50 => a−1 = 0
0.50 ∗ 2 = 1.00 => a−2 = 1
0.00 ∗ 2 = 0.00 => a−3 = 0
Ces bases correspondent à des puissances de 2 (21, 23 et
24).
Très utilisées en informatique car représentation compacte des configurations binaires.
base 8 = octal, base 16 = héxadécimal. Exemple :
(10011011)2 = (9B)16
On manipule souvent des nombres formés de 8 bits, les octets. Représentation=2 chiffres héxadécimaux.
Mêmes méthodes en base quelconque qu’en base 10.
Une retenue ou report apparaît quand on atteint ou dépasse la valeur b de la base.
Architecture de John von Neumann et ses collaborateurs. Les ordinateurs sont structurés en unités séparées, fonctionnellement différentes :
l’unité de calcul (Unité Arithmétique et Logique) l’unité de contrôle la mémoire interne (programme et données) les unités d’Entrées / Sorties).
3 parties :
Les registres qui sont des unités de stockage.
Les circuits de l’UAL qui effectuent les opérations (calcul ou logique).
Les voies de circulation dans l’UAL (bus de commandes et de données).
Chercher dans la mémoire l’instruction suivante d’un programme (pointeur ordinal).
Décoder et déterminer ce qui doit être fait.
Envoyer les bonnes commandes à l’UAL, la mémoire et les controleurs d’entrée/sortie.
Mémoriser le résultat.
Les instructions exécutées par l’ordinateur sont exprimées en langage machine (code binaire) : op codes, opération (instruction) à effectuer. adresse, endroit en mémoire ou doit s’effectuer l’opération.
Les instructions en langage machine sont organisées avec le op code en premier, suivi des adresses mémoire.
L’ensemble des opérations qu’un processeur peut effectuer est appelé jeu d’instructions.
Le programme et les données y sont stockés. Idéalement :
Plus rapide que le temps d’exécution d’une instruction.
Disponible en grande quantité.
Peu onéreuse.
En pratique, hiérarchie de couches :
les registres la mémoire cache (lignes de cache), différents niveaux de cache.
la mémoire principale, appelée RAM. disques durs (aspect mécanique) Sous-système qui permet à l’ordinateur d’intéragir avec d’autres périphériques et de communiquer avec le monde extérieur.
De sa largeur en bits et de sa fréquence dépend sa rapidité de la communication entre les unités de l’ordinateur.
Un bus connecte l’unité centrale à sa mémoire principale (accès bus) et à la mémoire résidant sur les unités de contrôle des périphériques.
Un bus permet de transférer des données entre la carte mère et les périphériques qui s’y connectent.
Un bus d’extension permet d’étendre un système PC à l’aide de cartes, en permettant aux données de circuler entre la carte et l’unité centrale.
Il existe différents bus d’extension :
AGP pour les cartes graphiques
PCI pour les cartes d’extension
USB
Firewire
PCI-Express
Périphériques d’entrée : clavier scanner
Périphériques de sortie :
écran imprimante
Périphériques d’entrée/sortie :
disque dur carte son
Systèmes de fichier
Systèmes de fichier
Pour qu’un ordinateur soit capable de faire fonctionner un programme informatique (appelé parfois application ou logiciel), la machine doit être en mesure d’effectuer un certain nombre d’opérations préparatoires afin d’assurer les échanges entre le processeur, la mémoire, et les périphériques.
Systèmes de fichier
Le système d’exploitation (noté SE ou OS, abréviation du terme anglais Operating System), est chargé d’assurer la liaison entre les ressources matérielles, l’utilisateur et les applications. Deux tâches :
Fournir à l’utilisateur une machine étendue ou virtuelle, plus simple à programmer.
Gestion des ressources. Deux dimensions du partage (multiplexage) : temps espace
Systèmes de fichier
C’est un programme en cours d’exécution. Chaque processus possède :
un espace d’adressage qui contient :
le programme executable ses données sa pile
un ensemble de registres dont :
le compteur ordinal le pointeur de pile
d’autres registres matériels et informations nécessaires.
Systèmes de fichier
Les ordinateurs sont capables de faire plusieurs choses en même temps.
Le processeur bascule constamment d’un processus à l’autre : multiprogrammation. Différence processus / programme
Systèmes de fichier
Evénements conduisant à la création d’un nouveau processus :
Initialisation du système
Exécution d’un appel système de création de processus par un pocessus en cours.
Requête utilisateur sollicitant la création d’un nouveau processus
Initiation d’un travail en traitement par lots
Systèmes de fichier
Sous UNIX :
Appel système : fork qui crée un clône du processus appelant.
Les processus père et fils ont alors la même image mémoire et les mêmes fichiers ouverts.
Le processus enfant exécute alors execve par exemple pour modifier son image mémoire et exécuter un nouveau programme.
Sous Windows :
Appel à la fonction Win32 CreateProcess. Prise en charge de la création du processus et du chargement du programme approprié. Dizaine de paramètres : programme à exécuter, paramètres du programme, attributs de sécurité et bits de contrôle (héritage, priorité, fenêtre), etc.
Systèmes de fichier
Arrêt normal (volontaire) (exit)
Arrêt pour erreur (volontaire)
Arrêt pour erreur fatale (involontaire)
Le processus est arrêté par un autre processus
(involontaire) (kill)
Systèmes de fichier
Pas le cas sous Windows.
Sous UNIX :
lorsqu’un processus en crée un autre, le père et l’enfant continuent d’être associés.
l’enfant peut lui-même créer d’autres processus formation d’une hiérarchie de processus (init)
Un processus et l’ensemble de ses descendants est appelé un groupe de processus
Systèmes de fichier
Un processus peut prendre un de ces 3 états :
En cours d’exécution (le programme utilise le processeur)
Prêt (exécutable, temporairement arrêté pour laisser un autre processus)
Bloqué (ne peut pas s’exécuter tant qu’un évênement externe ne se produit pas)
Le passage de En cours à Prêt et inversement est géré par l’ordonnanceur de processus
Systèmes de fichier
Ensemble de processus qui :
exécutent des programmes qui comprennent les commandes saisies par l’utilisateur gèrent des tâches telles que le transport de requêtes pour le service de fichiers ou la gestion des détails de l’exécution d’un disque.
Systèmes de fichier
Vecteur d’interruption stocke l’adresse des routines associées à chaque type d’interruption.
| Numéro d’interruption | Gestionnaire |
| 0 | Horloge |
| 1 | Disque |
| 2 | Terminaux |
| 3 | Autres périphériques |
| 4 | Logiciel (trap) |
| 5 | Autres |
Numéros d’interruptions différents pour les périphériques du système (routines différentes)
Parfois possible de paramétrer les numéros : IRQ.
Systèmes de fichier
Le matériel place dans la pile le compteur ordinal, etc.
Le matériel charge un nouveau compteur ordinal à partir du vecteur d’interruptions.
La routine de traitement en langage machine sauvegarde les registres
Elle définit une nouvelle pile
Le service d’interruption en C s’exécute
La procédure C retourne au code en langage machine
La procédure en assembleur exécute une instruction de retour de procédure.
Systèmes de fichier
Certains processus ont besoin de coopérer :
communication
synchronisation (accès concurrent)
D’autres entrent en compétition pour les ressources : nature physique de la ressource
opérations qui peuvent provoquer des incohérences ou des interblocages
Solutions : Sections critiques, masquage des interruptions,
Systèmes de fichier
Choix dépend de l’utilisation, plusieurs critères :
équité efficacité
minimisation du temps de réponse pour les utilisateurs minimisation du temps d’exécution (traitement par lots) rendement (nombre de travaux réalisés par unité de temps maximal)
Solutions : tourniquet, priorité, plus court d’abord,
Systèmes de fichier
Hiérarchisation de la mémoire (cache, RAM, disque dur).
Coordination de la manière dont sont utilisées les différentes mémoires.
Systèmes de fichier
Son rôle : conserver la trace de la mémoire en cours d’utilisation ou pas allouer la mémoire aux processus qui en ont besoin gérer le va-et-vient (swapping) entre mémoire principale et disque.
Systèmes de fichier
Exemple : MS DOS
Un seul processus en mémoire à la fois.
En pratique :
Partie de l’espace d’adressage réservée au système d’exploitation (ROM + SE chargé au démarrage)
A la fin du programme, retour à l’interpréteur de commande qui demande le prochain programme à lancer.
Systèmes de fichier
Facilite développement de programmes en les fractionnant en processus indépendants.
Elle permet une maximisation de l’utilisation des ressources processeur.
Problème : Comment organisé la memoire de façon la plus efficace possible.
Systèmes de fichier
Division de la mémoire en partitions (si possible inégales).
Quand une tâche arrive, elle est placée dans une file d’attente :
une file d’attente par partition de mémoire une seule file d’attente pour toute les partitions
réallocation protection
Systèmes de fichier
Mémoire insuffisante pour contenir tous les processus courant.
Nécessité de placer certains de ces processus sur le disque.
Il faudra donc ramener régulièrement des processus sur le disque en mémoire centrale et inversement. C’est ce qu’on appelle le va-et-vient ou swapping.
Systèmes de fichier
La taille de l’ensemble formé par le programme, les données et la pile peut dépasser la capacité de mémoire disponible.
Le SE conserve les parties de programme en cours d’utilisation dans la mémoire principale, et le reste sur le disque.
Systèmes de fichier
A l’intérieur des processeurs actuels, il y a une unité de gestion de la mémoire (MMU) qui fait correspondre des adresses virtuels à des adresses physiques.
Un programme travaille sur un espace d’adressage virtuel.
Cet espace est divisé en unités appelées pages (512 à 4096 octets) et les unités correspondantes en mémoire physique sont appelées cadres de pages (page frames). La MMU dispose d’une table d’indirection des pages pour convertir les adresses virtuelles en adresses physiques. Les pages virtuelles qui ne sont pas mappées en memoire centrale sont identifiées grâce à un bit de présence/absence.
Les transferts RAM/disque se font par pages entières.
Systèmes de fichier
Espace d’adressage virtuel plus grand que la mémoire physique.
Si un processus essaie de faire appel à une page non présente en mémoire physique :
Déroutement du processeur (défaut de page) pour rendre la main au SE.
Le SE sélectionne un cadre de page peu utilisé et sauve son contenu sur le disque.
transfère la page demandée dans le cadre de page libéré. modifie la correspondance.
recommence l’instruction déroutée.
Gestion par un algorithme de remplacement de pages.
Systèmes de fichier
Le SE a la tâche importante de contrôler les périphériques d’entrées/sorties (E/S).
Fonctions :
Emission des commandes vers les périphériques.
Interception des interruptions. Gestion des erreurs.
Fournir une interface simple entre les périphériques et le système.
Interface identique pour tous les périphériques.
Systèmes de fichier
Deux catégories :
périphériques par bloc : informations stockées par blocs de taille fixe, chacun possédant sa propre adresse. (ex : disque) périphériques par caractères : information circule sous la forme d’un flot de caractères, sans aucune structure de bloc. (ex : clavier, imprimante, souris).
Deux parties dans une unité :
un composant mécanique, le périphérique (ex : disque).
un composant electronique, le controleur de périphérique (ex : controleur IDE).
action donnée.
Lecture : le SE peut connaître l’état du périphérique, savoir s’il est capable d’accepter une nouvelle commande.
Certains périphériques sont équipés d’un tampon de données que le SE peut lire ou écrire.
Systèmes de fichier
Le processeur communique avec les registres de contrôle et les tampons de données, deux cas possibles :
un numero de port d’E/S est assigné à chacun des
registres de contrôle et il existe des instructions spéciales pour lire et/ écrire sur ces ports.
E/S mappées en mémoire, chaque registre de contrôle se voit attribuer une adresse mémoire unique à laquelle aucune mémoire n’est assignée.
Dans les ordinateurs de bureau actuels, les E/S sont mappées en mémoire, les adresses entre 640ko et 1Mo sont par exemple marquées comme étant destinées au bus PCI et non à la mémoire. La puce de pontage PCI filtre les adresses.
Systèmes de fichier
Pour permettre au processeur de réaliser d’autres opérations pendant qu’il attend la réalisation d’une E/S, on fait appel aux interruptions.
Systèmes de fichier
Disponible uniquement s’il y a un contrôleur DMA.
Le contrôleur DMA a accès au bus système sans dépendre du processeur -> E/S programmée qui fait le travaille du processeur.
Reduit le nombre d’interruptions.
Systèmes de fichier
Organisation en cylindres
Chaque cylindre contient contient autant de pistes que de têtes empilées verticalement.
Les pistes sont divisées en secteurs.
On appelle cette organisation géométrie.
Sur les disques durs actuels, la géométrie spécifiée peut être différente du format physique réel.
Systèmes de fichier
Enegistrement d’une grande quantité d’informations.
Informations conservées après la fin du processus qui les utilise (persistance).
Plusieurs processus doivent pouvoir avoir accès simultanément à une information.
Systèmes de fichier
Mécanisme d’abstraction (utilisateur ne voie pas où et comment sont stockées les informations).
Subdivision des fichiers par types en fonction de leur nature : typage fort : le type de fichier est défini par son extension
(MS DOS)
typage déduit : les extensions des fichiers ne sont qu’indicatives, le système détermine la nature du fichier par inspection du contenu (UNIX).
Systèmes de fichier
Nommés aussi répertoires ou dossiers. Système à repertoire hiérarchique :
permet regroupement logique des fichiers notion de chemin d’accès :
chemin d’accès absolu (depuis la racine) chemin d’accès relatif (depuis le répertoire courant)
Secteur 0 du disque = Master Boot Record (MBR) qui comprend la table de partitions. Boot sur la partition marquée comme active.
L’organisation d’une partition varie fortement d’un système de fichier à un autre. Cependant, présence d’un bloc de boot et souvent d’un superbloc qui contient les informations sur le type de système de fichier.
Différentes méthodes d’implantation des fichiers (allocation contigüe, listes chaînes, ).
Fonctionnement d’un ordinateur et de son système d’exploitation.
Pas si simple que ça
