Syst emes d’exploitation : Introductionsedoglav/OS/Cours01.pdf · 2012-03-13 · Syst emes d’exploitation : Introduction Pr esentation Fonctions d’un OS Gestion mat eriel Abstraction

Systemesd’exploitation :

Introduction

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Fonctions d’un OS

Gestion materiel

Abstraction

Virtualisation

Gerer l’imprevu

Architecture d’un OS

Noyau

Couches

Paradigme reseaux

Autres paradigmes

Postambule

Systemes d’exploitation :Introduction

Licence miage — Universite Lille 1Pour toutes remarques : [email protected]

Semestre 6 — 2012-2013

V-2 (02-01-2010) www.fil.univ-lille1.fr/˜sedoglav/OS/Cours01.pdf


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Intendance

Equipe pedagogique :

I Roos, Jean-Francois

I Sedoglavic, Alexandre

Les supports de cours, td et tp, des references (bibliographie eturl), des informations pratiques (calendrier), etc. sont disponiblessur le portail :

http ://www.fil.univ-lille1.fr/

Pour tout contact :

[email protected]

(en faisant preceder votre message de [OS MIAGE]).

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Programme : d’application/d’exploitation

On peut repartir les programmes en deux categories :

I les programmes d’applications qui accomplissent des tachessouhaitees par l’utilisateur (calculs scientifique, base dedonnees, bureautique, etc.)

I les programmes systemes qui permettent l’exploitation desressources de l’ordinateur (processeurs, memoire, terminaux,clavier, disques, coexistence de plusieurs applications, etc.)

Utilisateur 1 . . . Utilisateur n

Calculs Base de donnees Bureautique}

Applications

Compilateur interpreteurSysteme d’exploitation

}Systeme

Langage machineDispositif physique

}Materiel



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Petit historique sommaire

De l’influence du materiel sur les os :

I 1945 –1955 : Programmation en langage machine — Pas desysteme d’exploitation.1950, Invention du transistor.

I 1955 –1965 : Separation entre concepteurs, constructeurs,programmateurs et operateurs — Traitement par lots.1960, Circuits integres.

I 1965 -1980 : Interaction utilisateurs/systeme – Partage dutemps.1965, Loi de Moore : le nombre de transistors d’un circuitintegre double tous les 18 mois :-)

I 1980 –1990 : Ordinateurs personnels — Reseau.1995, Loi de Myhrvold : la taille des logiciels augmentejusqu’aux limites imposees par la loi de Moore :-(

Que nous reserve ce debut de siecle ? Convergence, mobilite,repartition, etc.



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Plan general du cours

1. Introduction — Generalite sur les os (Operating Systems) ;

2. Systemes de fichiers (File System, fs) :I abstraction du point de vue utilisateur (fichier, arborescence,

repertoire, montage, etc.) ;I implantation de ces abstractions par le fs (structures de

donnees : inœud, fat, volume).

3. Memoire vive : structures de donnees permettant de gerercette memoire (pagination et segmentation) ;

4. Notion de processus : vie et mort d’un processus ;

5. Communication Inter Processus (ipc) :I Synchronisation de processus (semaphore, etc.) ;I Medias de communications : tubes, memoire partagee, etc. ;

6. Ordonnancement : gestion de la communaute des processus ;

7. Quelques mots sur la securite ; Synthese.



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Format de l’enseignement et objectifs

Objectifs : afin de savoir utiliser les outils logiciels, on cherche a

I comprendre l’architecture des systemes d’exploitation ainsique leurs roles et leurs actions ;

I s’initier a leurs utilisations par le biais des appels systemePosIX (Portable Operating System Interface).

Organisation :cours-td : 10 x 2h dont une evaluationtp : 10 x 2h dont une evaluation

Le portail http://www.fil.univ-lille1.fr/ donne acces

I aux transparents du cours ;

I au support de travaux diriges ;

I au support de travaux pratiques ;

I a des references bibliographiques.

Controle de connaissances : examen final et des evaluations enTD et TP.



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Quelques definitions.

Il n’est pas inutile de s’attarder sur les definitions de trois mots quiseront systematiquement utilises par la suite :

I Systeme : compose de parties coordonnees entre elles.gr. sustema ensemble (le verbe systeo signifiant attacherensemble).

I Abstraction : operation par laquelle, dans un objet, on isoleun caractere pour ne considerer que ce caractere.la. abs separation trahere tirer.

I Virtuel : qui est seulement en puissance et sans effet actuel.Se dit des elements d’un systeme informatique considerescomme ayant des proprietes differentes de leurscaracteristiques physiquesla. virtus vertu.



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Apercu de certaines fonctions d’un os

Plusieurs principes de fonctionnement des os (OperatingSystems) :

⇒ traitement par lots, multiprogrammation, temps partage,parallele, temps reel, distribue, transactionnel, etc.

Un os realise principalement 4 types de taches :

1. gestion des fichiers (implantation, organisation etdesignation) ;

2. gestion de la memoire (idem) ;

3. gestion des processus (gestion, creation, cooperation) ;

4. gestion des peripheriques d’entrees-sorties et du materiel.

De tres nombreux os sont disponibles :

Linux, Macos x, Unix, Windows, Windows nt, Vista, etc.

La plupart sont independants de l’architecture materiel. D’autresne fonctionnent que sur un type de machine (vms sur vax(architecture 64 bits de Compac-Digital), os temps reel, etc).



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Gestion du materielL’utilisateur ne se preoccupe pas des details du materiel.

prompt: echo foo > bar # explicitons la circulation

prompt: cat bar # de l’information

lk kk

controleur

pont memoire Memoire

cache

Controleurgraphique

Moniteur processeur

Interface busd’extension

controleur dedisques

Portparallele

Clavier

Port series

bus d’extension

bus PCI

Cette fonction de l’os se fait remarquer par defaut (ex : carte sonportable quelques fois inutilisables sous Linux).



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Presenter une abstraction de la machineLes ordinateurs peuvent stocker une informations sur plusieurstypes de supports : disques (durs, souples, optiques), bandesmagnetiques, memoire flash, etc.

L’os fait abstraction des proprietes des supports physiques endefinissant une unite de stockage logique : le fichier.

Il etablit la correspondance peripheriques physiques – fichiers.

Abstraction par programmation en couche

syst. de fichier logique repertoire, fichier, etc.module d’org. de fichier traduit les adresse de bloc logique

en adresse de bloc physiquesyst. de fichier basique commande au controleur l’ecriture,

la lecture, etc.controle des E/S gere l’operation de transfert des octetsperipherique gestion de disque dur

(16 plat., 4000 cyl., 200 sect., 214 oct.)

Autre exemple : abstraction de la memoire.



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Presenter a l’utilisateur une machinevirtuelle

L’os permet de manipuler simplement des objets complexes.

Complexite des fichiers : la taille maximum d’un fichier est 264

octets. Si on suppose ce fichier imprime en binaire et qu’un bitoccupe 1mm, l’impression occuperait la distance a Alpha duCentaure et retour.

Sous Linux, les peripheriques d’E/S sont accessibles par desfichiers.

prompt: tty

/dev/pts/0

prompt: echo foo > bar

prompt: cp bar /dev/pts/0

cp: overwrite ‘/dev/pts/0’? y

foo

prompt:

A partir d’une seule machine physique, l’os fournit une machinevirtuelle pour chaque utilisateur et — en partie — une machinevirtuelle pour chaque processus.



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I L’os gere une — relativement — petite memoire physique enconjonction avec de l’espace disque de maniere a œuvrecomme si l’espace memoire etait bien plus vaste.Il cree ainsi une memoire virtuelle capable de grande capacite.

I Gestion locale : creation de processus, synchronisation etcommunication entre les processus (ls /dev | less),terminaison de processus.

I L’os assure la gestion des ressources entre plusieursprocessus ;

I Temps partage. La vitesse de frappe au clavier est bieninferieure a celle de fonctionnement d’un microprocesseur ⇒la plupart du temps, les programmes attendent un evenementexterieur.

Idee : Entrelacer l’execution des programmes :quand un programme est en attente l’os donne la main a unautre.

Probleme : repartir equitablement et efficacement lesressources.



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Autres servicesSecurite : controle d’acces aux ressources.

I L’os assure une protection contre les erreurs etdisfonctionnements pour garantir l’integrite des donnees(detection des pannes, des appels memoires interdits) ;

I Il assure la protection du materiel contre des utilisations quipourrait l’endommager ;

I Il definit des droits d’acces pour chaques utilisateurs ;

I et peut meme etre concu pour authentifier l’utilisateur(Palladium dans longhorn, BitLocker dans Vista).

L’os peut collecter des statistiques d’utilisation des ressources :

I pour, a partir des parametres de performance, anticiper afind’ameliorer le fonctionnement ;

I plus pragmatiquement, pour permettre la facturation d’unservice dans un contexte multi-utilisateurs.

L’os peut fournir aux programmes utilisateurs une serie defonctions API (Application Programming Interface) codifieesPosIX (Portable Operating System Interface).



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Architectures d’un osLe systeme d’exploitation est une collection de procedures,pouvant interagir a chaque moment. On peut les garder groupeesdans une structure monolithique mais . . .

Benefice Inconvenientrapide et compact difficilement gerable et modifiable

De plus, en programmation structuree on a l’organisation :

I programme principal qui appelle la procedure de servicerequise ;

I ensemble de procedures et de services qui executent lesappels ;

I procedures auxiliaires de gestion interne.

Enfin, pour la fiabilite, on utilise 2 modes de fonctionnement :

I mode noyau : toutes les instructions sont autorisees (meme lefatidique rm -fR /) et ont un acces direct au materiel.

I mode utilisateur : certaines instructions ne sont pas permises.Pour acceder au materiel, on doit faire un appel au noyau.

Une structure modulaire apparaıt naturellement a l’usage.V50 (02-01-2010) www.fil.univ-lille1.fr/˜sedoglav/OS/Cours01.pdf


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Structure en couches

Une structure modulaire simple consiste a hierarchiser lesprocedures en plusieurs couches, chaque couche s’appuyant surcelle qui lui est immediatement inferieure

OperateurProgramme des utilisateursGestion des entrees-sorties

Communication operateur-processusGestion de la memoire et du disque

Allocation des processus et gestion du processeur

Chaque couche est utilisable sans connaıtre les couches inferieureset ne doit gerer que les communications entre ces deux voisines.



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Structure client-serveur

Il est possible de moins hierarchiser les services d’un os.

Processus Serveur de Serveur de Serveur de Serveur declient processus terminal . . . fichiers Memoire

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Consequence :

I tolerance aux pannes : un disfonctionnement du serveur defichiers n’affecte pas l’ensemble des processus (seulementceux qui l’utilisent) ;

I modularite : on peut remplacer un serveur par un autreprogramme plus evolue presentant les memes API sans toutrefaire.

Inconvenient principal : les protocoles de communications entremodules prennent du temps.



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Structure en machine virtuelle :compatibilite intergenerationnelle

Exemple : Windows ntDes sous-systemes environnementaux emulent differents systemesd’exploitation (ms-dos, Windows 3.x, os/2) :

I Pour ce faire, il presente aux applications tous les appelssystemes de ces os (plus les appels PosIX).

I nt assure la compatibilite au niveau du code source maissans permettre les appels directs aux materiels (existant dansdos par exemple).

Sur un Pentium, on peut faire tourner un programme ms-doscompile sur un 8086 ; (a condition qu’il soit propre i.e. utilisationdes appels systeme gerant le materiel plutot que gestion directepar le programme utilisateur — que dos autorise ! ! !).



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Architecture reellement utilisee : structuremixte

L’implantation effective des os actuels est un melange desstructures decrites jusqu’a present.Windows nt est un systeme client-serveur ayant un noyaumonolithique et presentant des machines virtuelles dos,Windows 3.x, etc.Parmi les sous systemes de nt, on peut citer :

I l’Object Manager qui sert d’intermediaire entre lesapplications utilisateurs et le materiel ;

I le Security Reference Monitor qui est invoque a chaque accesmateriel par l’om pour verifier si l’operation est permise ;

I l’I/O Manager qui fait la liaison entre l’om et les fameuxdrivers qui permettent de commander aux materiels.

Ces programmes tournent en mode noyau mais sont des serveurshors du noyau monolithique.



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Petite taxinomie des OS : des technologiescommunes mais des politiques differentes

os proprietaire Open Source Software1960 compilateurs (groupes d’utilisateurs organises par les constructeurs)1965 Dos (IBM) MULTICS (Bell+GE+MIT)1967 os/360 (IBM)1969 unix (Bell lab)1970 paradigme GUI (Xerox PARC)1975 paradigme micro-ordinateur (ALSTAIR, plus tard IBM PC (1981))1976 CP/M (Digital research)1977 VMS (Digital research)1981 MS-Dos (Microsoft) developpement considerable1984 Mac os (Apple) de nouveaux concepts et de versions1985 os/2 (IBM + Microsoft)

Windows 1.0 (Microsoft)1990 Windows 3.0 (Microsoft)1991 Linux1993 Windows NT (Microsoft)1999 Mac os change de politique2007 Vista (Microsoft)



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Pourquoi le cours ne se deroule-t-il pas sousun OS proprietaire ?

La politique de libre circulation des connaissances est unfondement de l’economie de leurs elaboration :

I politique : qui a rapport aux affaires publiques ;

I economie : bon ordre dans la conduite de tout etablissementqui s’alimente par la production et la consommation.

Pour se preserver, certains editeurs entravent ces echanges pourpromouvoir leurs produits ce qui a comme consequence uneaugmentation des couts pour la communaute (balkanisation desproduits, incompatibilite entre systemes).

Dans ce cadre, l’utilisateur n’a aucune possibilite d’agir sur lesproduits d’une societe (de plus, cette derniere specifie qu’elle nepeut etre tenue pour responsable de ses erreurs).

Le developpement de connaissance necessite la liberte de copie,d’utilisation et de modification.



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A propos du choix du langage C pourillustrer le cours

Historiquement, la plupart des os sont ecrit en C car :

I sa semantique est claire et il est efficace ;

I il permet l’acces a tous les composants de bas niveau de lamachine ;

I son mecanisme d’allocation memoire est explicite ;

I le langage C ainsi que les bibliotheques standard sontnormalises.

D’autres approches sont possibles (langages dedies, Java, OCaml,etc).

Il ne faut pas confondre bibliotheques standard et appels systeme :

I appels systeme : pas d’edition de liens mais seulementexecution de code de l’os ;

I bibliotheques standard : edition de liens.

Nous utiliserons principalement des interfaces en ligne decommande (cli) plutot que des interfaces graphiques (gui).


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