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Nom original: système d'exploitation.pdf
Titre: Systèmes d'exploitation (Operating Systems)
Auteur: Remi Bonidal (remi.bonidal@loria.fr)

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Systèmes d'exploitation

Systèmes d'exploitation (Operating Systems)
Remi Bonidal (remi.bonidal@loria.fr)

Formation Continue
Année 2010

R. Bonidal (FC 2010)

Systèmes d'exploitation

1

Systèmes d'exploitation

1

Introduction

2

Conception des sytèmes d'exploitation

3

Gestion des processus

1

Gestion de la mémoire

R. Bonidal (FC 2010)

Systèmes d'exploitation

2

Systèmes d'exploitation
Introduction

Sommaire
1 Introduction
Dé nition
Historique
Types de systèmes d'exploitation
Architecture matérielle
2 Conception des sytèmes d'exploitation
3 Gestion des processus
1 Gestion de la mémoire

R. Bonidal (FC 2010)

Systèmes d'exploitation



Cours 1

3

Systèmes d'exploitation
Introduction
Dé nition

Sommaire
1

Introduction
Dé nition
Historique
Types de systèmes d'exploitation
Architecture matérielle

2

Conception des sytèmes d'exploitation

3

Gestion des processus

1

Gestion de la mémoire

R. Bonidal (FC 2010)

Systèmes d'exploitation



Cours 1

4

Systèmes d'exploitation
Introduction
Dé nition

Système d'exploitation ... ?

Qu'est-ce qu'un système d'exploitation ?

R. Bonidal (FC 2010)

Systèmes d'exploitation



Cours 1

5

Systèmes d'exploitation
Introduction
Dé nition

Système d'exploitation ... ?

Qu'est-ce qu'un système d'exploitation ?

,→

L'interface entre le logiciel et le physique.

R. Bonidal (FC 2010)

Systèmes d'exploitation



Cours 1

5

Systèmes d'exploitation
Introduction
Dé nition

Système d'exploitation ... ?

Qu'est-ce qu'un système d'exploitation ?

,→

L'interface entre le logiciel et le physique.

1 Séparer les applications des spéci cités du matériel : portabilité

R. Bonidal (FC 2010)

Systèmes d'exploitation



Cours 1

5

Systèmes d'exploitation
Introduction
Dé nition

Système d'exploitation ... ?

Qu'est-ce qu'un système d'exploitation ?

,→

L'interface entre le logiciel et le physique.

1 Séparer les applications des spéci cités du matériel : portabilité
2 Séparer les applications des limitations du matériel : ni



in ni

R. Bonidal (FC 2010)

Systèmes d'exploitation



Cours 1

5

Systèmes d'exploitation
Introduction
Dé nition

Système d'exploitation ... ?

Qu'est-ce qu'un système d'exploitation ?

,→

L'interface entre le logiciel et le physique.

1 Séparer les applications des spéci cités du matériel : portabilité
2 Séparer les applications des limitations du matériel : ni



in ni

3 Protéger le matériel des applications.

R. Bonidal (FC 2010)

Systèmes d'exploitation



Cours 1

5

Systèmes d'exploitation
Introduction
Dé nition

Système d'exploitation ... ?

Qu'est-ce qu'un système d'exploitation ?

,→

L'interface entre le logiciel et le physique.

1 Séparer les applications des spéci cités du matériel : portabilité
2 Séparer les applications des limitations du matériel : ni



in ni

3 Protéger le matériel des applications.
Ce n'est pas facile ! !

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Systèmes d'exploitation



Cours 1

5

Systèmes d'exploitation
Introduction
Dé nition

Pourquoi se pencher dessus ?
Pourquoi étudier les systèmes d'exploitation (SE) ?
Tout utilisateur est concerné



Tout programme est concerné

meilleure maîtrise



améliorer l'e cacité

Confrontation aux mêmes problèmes



ne pas réinventer la

roue
Challenge intellectuel... et c'est intéressant, tout simplement

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Systèmes d'exploitation



Cours 1

6

Systèmes d'exploitation
Introduction
Dé nition

Pourquoi un SE ?
Les ressources matérielles sont complexes détails techniques
embêtants

Contrôleur de disquettes NEC PD765
Possède 16 commandes, manipulées écriture de 1 à 9 octets dans des registres :
lecture/écriture d'un secteur (13 paramètres codés sur 9 octets)
déplacement du bras de lecture
initialisation du contrôleur et calibration des têtes de lecture
Retourne 23 champs d'état et d'erreurs codés sur 7 octets. Il faut gérer
soi-même le démarrage et la mise en veille du moteur (compromis entre surcoût
temps et usure).
Le programmeur λ doit-it vraiment gérer ça ? ! ?
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Systèmes d'exploitation



Cours 1

7

Systèmes d'exploitation
Introduction
Dé nition

Un rôle de gestionnaire

exemple : Partage d'imprimante
Machine multi-utilisateurs avec service d'impression. Plusieurs
programmes démarrés susceptibles d'imprimer :
verrouillage temporaire de l'accès à l'imprimante

,→

ne pas mélanger les ots de caractères

tampons d'impression

,→

un programme ne doit pas attendre inutilement

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Systèmes d'exploitation



Cours 1

8

Systèmes d'exploitation
Introduction
Dé nition

Un rôle de gestionnaire

Pour gérer l'accès à une ressource coûteuse. Il faut :
connaître l'utilisateur de la ressource
gérer les accès concurrentiels
éviter les con its entre les programmes/usagers

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Systèmes d'exploitation



Cours 1

9

Systèmes d'exploitation
Introduction
Dé nition

Fonctionnalités d'un SE
Buts d'un système d'exploitation :
décharger le programmeur d'une tache énorme et fastidieuse

,→

concentration sur le développement de SON application

protéger le système et ses usagers de fausses manipulations
o rir une vue simple/uniforme/cohérente de la machine et des
ressources

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Systèmes d'exploitation



Cours 1

10

Systèmes d'exploitation
Introduction
Dé nition

Place du SE dans l'ordinateur

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Systèmes d'exploitation



Cours 1

11

Systèmes d'exploitation
Introduction
Historique

Sommaire
1

Introduction
Dé nition
Historique
Types de systèmes d'exploitation
Architecture matérielle

2

Conception des sytèmes d'exploitation

3

Gestion des processus

1

Gestion de la mémoire

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Systèmes d'exploitation



Cours 1

12

Systèmes d'exploitation
Introduction
Historique

les premiers ordinateurs
Génération 0 La genèse
1821 1836 : Première machine numérique de Charles Babbage
N'a jamais pu fonctionner correctement

Première génération
1940 1955 : Relais et tubes à vide, programmés par tableaux
d'interrupteurs
Trèèèès lent, cycle mesuré en secondes

R. Bonidal (FC 2010)

Systèmes d'exploitation



Cours 1

13

Systèmes d'exploitation
Introduction
Historique

Évolution des ordinateurs
Deuxième génération Les mainframes
1955 1965 : Transistors, cartes perforées et exécution par lots
Système d'exploitation FMS
(Fortran Monitor System)
$JOB $FORTRAN ...Programme...
$LOAD $RUN ...Données... $END

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Systèmes d'exploitation



Cours 1

14

Systèmes d'exploitation
Introduction
Historique

Évolution des ordinateurs
Troisième génération
1965 1980 : Circuits intégrés et multi-programmation
Système d'exploitation OS/360 (3-4× plus complexe que
FMS)

Suivent di érentes évolutions :
Multi-utilisateurs
Extension de la multi-programmation vers le temps partagé
Premier système à temps partagé CTSS (MIT)
MULTICS (MIT - Bell Labs - General Electric)
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Systèmes d'exploitation



Cours 1

15

Systèmes d'exploitation
Introduction
Historique

Évolution des ordinateurs
Mini-ordinateurs
1961 : PDP-1 au PDP-11 (DEC) avec 4 K-mots de 18
bits(Programmable Data Processor)
1969 : MULTICS allégé pour PDP-7 (Ken Thompson, Bell
Labs) : UNICS
1971 1977 : UNIX sur PDP-11 (Ken Thompson, Dennis
Ritchie et al.) en C
1974 : Distribution d'UNIX aux universités américaines par
AT&T
1977 : BSD 1 par l'université de Berkeley

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Systèmes d'exploitation



Cours 1

16

Systèmes d'exploitation
Introduction
Historique

Évolution des Unices
http://www.levenez.com/unix/

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Systèmes d'exploitation



Cours 1

17

Systèmes d'exploitation
Introduction
Historique

Évolution des ordinateurs
Quatrième génération Les micro-ordinateurs
1980 maintenant : Puces LSI (Large Scale Integration) et
ordinateurs personnels
CP/M (Gary Kildall, Digital Research), puis IBM PC et
MS-DOS
Interface graphique (GUI : Engelbart, Xerox PARC), fenêtre et
souris
Steve Jobs reprend le concept : Apple
MS Windows (3.1, 95, 98, NT, Me, XP, Vista) se répand

R. Bonidal (FC 2010)

Systèmes d'exploitation



Cours 1

18

Systèmes d'exploitation
Introduction
Types de systèmes d'exploitation

Sommaire
1

Introduction
Dé nition
Historique
Types de systèmes d'exploitation
Architecture matérielle

2

Conception des sytèmes d'exploitation

3

Gestion des processus

1

Gestion de la mémoire

R. Bonidal (FC 2010)

Systèmes d'exploitation



Cours 1

19

Systèmes d'exploitation
Introduction
Types de systèmes d'exploitation

Di érents types d'utilisations ...
Di érents Systèmes d'exploitations !
Systèmes pour mainframes
Systèmes pour serveurs
Systèmes multiprocesseurs
Systèmes personnels
Systèmes temps réel
Systèmes embarqués

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Systèmes d'exploitation



Cours 1

20

Systèmes d'exploitation
Introduction
Types de systèmes d'exploitation

Systèmes pour mainframes
Grosses machines, beaucoup de ressources
Batch, transactionnel ou temps partagé

Systèmes pour serveurs
Beaucoup d'utilisateurs
Beaucoup de réseau

Systèmes multiprocesseurs
Plusieurs processeurs
Gestion concurrente des ressources

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Systèmes d'exploitation



Cours 1

21

Systèmes d'exploitation
Introduction
Types de systèmes d'exploitation

Systèmes personnels
Interface conviviale
Utilisation basique

Systèmes temps réel
Respect de contraintes temporelles
Temps réel dur vs Temps réel mou

Systèmes embarqués
Interface conviviale
Contraintes matérielles
Systèmes pour smart-cards
R. Bonidal (FC 2010)

Systèmes d'exploitation



Cours 1

22

Systèmes d'exploitation
Introduction
Architecture matérielle

Sommaire
1

Introduction
Dé nition
Historique
Types de systèmes d'exploitation
Architecture matérielle

2

Conception des sytèmes d'exploitation

3

Gestion des processus

1

Gestion de la mémoire

R. Bonidal (FC 2010)

Systèmes d'exploitation



Cours 1

23

Systèmes d'exploitation
Introduction
Architecture matérielle

un ordinateur ...qu'est ce donc ?

Quels sont les composants de base de l'ordinateur ?

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Systèmes d'exploitation



Cours 1

24

Systèmes d'exploitation
Introduction
Architecture matérielle

un peu d'histoire....(encore !)

Architecture de von Neumann
Pas de séparation
données/instructions !
Architecture
révolutionnaire en 45
...mais un peu dépassé !

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Systèmes d'exploitation



Cours 1

26

Systèmes d'exploitation
Introduction
Architecture matérielle

Et maintenant ...

Architecture moderne
Unité de calcul et de
contrôle réunies
BUS pour échange de
données
Mémoire non uniforme !

R. Bonidal (FC 2010)

Systèmes d'exploitation



Cours 1

27

Systèmes d'exploitation
Introduction
Architecture matérielle

Un peu plus en détail : le CPU
Cycle principal du CPU
récupérer l'adresse de la prochaine instruction à exécuter (dans
un registre spéci que)
récupérer l'instruction elle-même (par le bus)
exécuter l'instruction
incrémenter le compteur ordinal pour pointer vers la prochaine
instruction

Un exemple d'instruction

add1 %eax, %edx
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Systèmes d'exploitation



Cours 1

28

Systèmes d'exploitation
Introduction
Architecture matérielle

Le cerveau de l'ordinateur
Exécute les instructions selon un cycle
Fetch



Decode



Execute

Fonctionne selon plusieurs niveaux de
privilèges

Mode noyau : pas de restrictions
Mode utilisateur : pas toutes les instructions
Le système d'exploitation s'exécute en mode
noyau
Les programmes s'exécutent en mode
utilisateur
Les services du système sont accessibles via
des appels systèmes qui basculent en mode
noyau le temps d'exécuter le service

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Cours 1

29

Systèmes d'exploitation
Introduction
Architecture matérielle

La memoire
Temps d'accès
1 ns
2 ns
10 ns
10 ms

Registres
Caches
Mémoire principale
Disque

Géré par
Compilateur
Materiel
OS
OS

Capacité
< 1 Ko
≈ 1 Mo
≈ 1 Go
≈ 1 To

Une mémoire non uniforme mais hiérarchique
Des rôles di érents
Des technologies di érentes
Des gestions di érentes

Nous verrons plus en détail la problématique de la gestion de la
mémoire.
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Systèmes d'exploitation



Cours 1

30

Systèmes d'exploitation
Introduction
Architecture matérielle

Les bus : transfert d'information au sein de l'ordinateur
Classi cation des bus
Synchrone ou Asynchrone
En fonction de ce qu'ils connectent :

bus de processeur
bus de mémoire (synchrone)
bus d'entrée/sortie (asynchrone)

En fonction de ce qu'ils transportent :

bus de données : circulation données et instructions
bus d'adressage : adresses (mémoire ou périphérique)
bus de contrôle : actions demandées (écriture ou une lecture,
entrée/sortie de ou vers un périphérique) + interruptions
matérielles (IRQ)

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Systèmes d'exploitation



Cours 1

31

Systèmes d'exploitation
Introduction
Architecture matérielle

Les bus classiques

Des bus pour communiquer...
...mais comment ?

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Systèmes d'exploitation



Cours 1

32

Systèmes d'exploitation
Introduction
Architecture matérielle

Communiquer ...
...avec quoi ?

Tout ce qui entre ou sort de l'ordinateur
Disque dur, réseau, clavier, souris, ...
...est ce simple ?

Le SE doit gérer les ux de données entre le CPU et les
périphériques.
Les périphériques sont lents.
Les périphériques peuvent être asynchrones.
R. Bonidal (FC 2010)

Systèmes d'exploitation



Cours 1

33

Systèmes d'exploitation
Introduction
Architecture matérielle

Communiquer ...

...en sondant
Le SE demande
régulièrement si il y a de
nouvelles données.

R. Bonidal (FC 2010)

Systèmes d'exploitation



Cours 1

34

Systèmes d'exploitation
Introduction
Architecture matérielle

Communiquer ...

...en sondant
Le SE demande
régulièrement si il y a de
nouvelles données.
INEFFICACE !

R. Bonidal (FC 2010)

Systèmes d'exploitation



Cours 1

34

Systèmes d'exploitation
Introduction
Architecture matérielle

Communiquer ...

...en sondant
Le SE demande
régulièrement si il y a de
nouvelles données.
INEFFICACE !

R. Bonidal (FC 2010)

...en interrompant
Le périphérique
interrompt le CPU en
l'avertissant qu'il y a de
nouvelles données.
MODERNE !

Systèmes d'exploitation



Cours 1

34

Systèmes d'exploitation
Introduction
Architecture matérielle

Le CPU attend les E/S

write

transmet le contrôle au

programme d'E/S
Le prog d'E/S prépare le périphérique
Le CPU doit attendre la n du

write

L'attente peut être longue
(imprimante, graveur, ...)
Le prog d'E/S rend la main, on
continue

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Systèmes d'exploitation



Cours 1

35

Systèmes d'exploitation
Introduction
Architecture matérielle

On attends ...On attends ...
Inconvénient :
On attends ... On attends ....On attends ....et ....On attends plus
qu'autre chose !
Solution : se faire avertir quand c'est ni !
...mais comment ?
Système physique dédiés : une partie du bus de contrôle.
une procédure spéci que.

C'est le principe des interruptions.

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Systèmes d'exploitation



Cours 1

36

Systèmes d'exploitation
Introduction
Architecture matérielle

Le gestionnaire d'interruptions
Procédure d'interuption :
Sauvegarde du contexte d'exécution du programme en cours.
Lire l'emplacement du programme destiné à gérer cet
événement (table d'association préétablie)
Exécution de la routine
Restauration du contexte
Reprise du programme

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Systèmes d'exploitation



Cours 1

37

Systèmes d'exploitation
Introduction
Architecture matérielle

Exemple d'interruption
Interruptions



meilleur usage du CPU

Le gestionnaire d'interruptions prépare le
prog d'E/S et le lance
Il recharge le prog utilisateur qui s'exécute
en même temps que les E/S : pas
d'attente
À la n du module d'E/S le gestionnaire
d'interruption reprend la main pour
examiner son état
Le prog utilisateur reprend son cours (... si
tout s'est bien passé)

R. Bonidal (FC 2010)

Systèmes d'exploitation



Cours 1

38

Systèmes d'exploitation
Introduction
Architecture matérielle

Di érentes classes d'interruption :

Les E/S
Retourne l'état du module d'E/S : normal ou erreur
Les exceptions
Débordements, instructions illégales, référence hors espace
utilisateur
Timers
Tick horloge
Suspend un programme pour e ectuer des tâches annexes
Défauts matériels

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Systèmes d'exploitation



Cours 1

39

Systèmes d'exploitation
Introduction
Architecture matérielle

IRQ pour le PC/AT
Liste des Interrupt Requests :

IRQ 0 : Horloge Système
IRQ 1 : Clavier
IRQ 2 : N/A (cascade du second
contrôleur)
IRQ 3 : Port série
(COM2/COM4)
IRQ 4 : Port série
(COM1/COM3)
IRQ 5 : LPT2 (carte de son)
IRQ 6 : Lecteur de disquettes
R. Bonidal (FC 2010)

IRQ 7 : Port parallèle (LPT1)
IRQ 8 : Horloge temps réel
IRQ 9 : N/A (PCI)
IRQ 10 : N/A
IRQ 11 : N/A (USB)
IRQ 12 : N/A (PS/2)
IRQ 13 : Coprocesseur math.
IRQ 14 : Disque dur primaire
IRQ 15 : Disque dur secondaire
Systèmes d'exploitation



Cours 1

40

Systèmes d'exploitation
Introduction
Architecture matérielle

Références bibliographiques
La bible (aussi disponible en français) :
Modern Operating Systems ,

Andrew S. Tanenbaum

e édition, février 2008, 1104 pages, Prentice Hall

3

Principes des systèmes d'exploitation ,

A. Silberschatz, P.B. Galvin, G. Gagne

e édition, mars 2008, 872 pages, Vuibert

6

Le noyau Linux ,

Daniel P. Bovet, Marco Cesati

e édition, août 2006, O'Reilly

3

Multiboot :

http://www.bellamyjc.org/fr/multiboot.html
R. Bonidal (FC 2010)

Systèmes d'exploitation



Cours 1

41

Systèmes d'exploitation
Conception des sytèmes d'exploitation

Sommaire
1 Introduction
2 Conception des sytèmes d'exploitation
Rôle d'un SE
Structures de SE
3 Gestion des processus
1 Gestion de la mémoire

R. Bonidal (FC 2010)

Systèmes d'exploitation



Cours 2

42


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