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Titre: Les Systèmes d’Exploitation

Auteurs: Bertrand Collin, Marc Baudoin, Manuel Bouyer, Jérôme Gueydan, Thomas Degris, Frédéric Loyer, Damien Mercier.

Ecole/Université: École nationale supérieure de techniques avancées

Résumé: Pourquoi un système d’exploitation ? Le système d’exploitation est l’élément essentiel qui relie la machine, composée d’éléments physiques comme le microprocesseur, le disque dur ou les barrettes mémoire, et l’utilisateur qui souhaite effectuer des calculs. Sans système d’exploitation, chaque utilisateur serait obligé de connaître le fonctionnement exact de la machine sur laquelle il travaille et il serait, par exemple, amené à programmer directement un contrôleur de périphérique USB pour pouvoir enregistrer ses données sur une clé USB.

Sans le contrôle du système d’exploitation, les utilisateurs pourraient aussi détruire irrémédiablement certaines données stockées sur un ordinateur, voire détruire certains périphériques – comme le disque dur – en programmant des opérations illicites. Les systèmes d’exploitation jouent donc un rôle majeur dans l’utilisation d’un ordinateur et si l’outil informatique s’est répandu dans le monde entier, c’est certes grâce à l’abaissement des prix d’achat et grâce à l’augmentation de la puissance des ordinateurs, mais c’est surtout grâce aux progrès réalisés lors des cinquante dernières années dans la programmation des systèmes d’exploitation : avec une machine de puissance équivalente, la moindre opération sur un ordinateur qui aujourd’hui nous paraît triviale était alors proprement impossible à réaliser !

Ce document présente les systèmes d’exploitation ainsi que leurs composants principaux et leurs structures. Toutes les notions essentielles à la compréhension du fonctionnement d’un ordinateur avec son système d’exploitation sont ici abordées, mais un lecteur désireux d’approfondir un sujet particulier doit se reporter à un ouvrage spécialisé, par exemple un des ouvrages cités dans la bibliographie. Les notions présentées ici ne font en général référence à aucun système d’exploitation en particulier. Néanmoins, nous avons choisi d’illustrer les fonctionnalités avancées des systèmes d’exploitation par des exemples provenant essentiellement des systèmes d’exploitation de type Unix. Nous justifierons plus loin ce choix et un lecteur critique pourra considérer que ce choix est a priori aussi valable qu’un autre. Nous abordons aussi dans ce document certains sujets qui ne relèvent pas directement des systèmes d’exploitation, comme l’architecture des ordinateurs ou la compilation de programmes, mais dont l’étude permet d’expliquer plus facilement le rôle d’un système d’exploitation et de montrer l’étendue des services qu’il rend.

Pourquoi étudier les systèmes d’exploitation ? Avant de se lancer à corps perdu dans l’étude des systèmes d’exploitation, il est raisonnable de se demander ce que cette étude peut nous apporter. Précisons tout d’abord que ce document est à l’origine le support écrit d’un cours proposé en deuxième année du cycle d’ingénieur de l’ENSTA ParisTech 2. Les raisons évoquées ci-dessous s’adressent donc à tous les étudiants non spécialisés en informatique qui exerceront rapidement des métiers d’ingénieur à responsabilité. Tous les ingénieurs issus de grandes écoles généralistes auront à utiliser l’outil informatique dans leur métier. Bien entendu, suivant le métier exercé ou suivant l’évolution de la carrière de chacun, cette utilisation sera plus ou moins fréquente et certains ne feront que tapoter de temps en temps sur leur clavier alors que d’autres passeront des heures à se battre avec (contre ?) la machine. Quel que soit le profil choisi, tous les ingénieurs de l’ENSTA ParisTech se retrouveront dans une des trois 3 catégories suivantes.

L’utilisateur : comme son nom l’indique, la seule préoccupation de l’utilisateur est d’utiliser sa machine. Son désir le plus vif est que celle-ci se mette à fonctionner normalement quand il l’allume et que ses logiciels favoris lui permettent de travailler correctement. Le décideur : il prend les décisions vitales concernant les choix stratégiques et commerciaux de l’informatique d’entreprise. C’est lui qui décidera par exemple s’il vaut mieux acheter un gros ordinateur relié à 50 terminaux ou s’il est préférable d’acheter 50 micro-ordinateurs.

Nous pourrions ajouter d’autres catégories afin de distinguer certaines professions comme par exemple le conseil en informatique connectés en réseau. Souvent le décideur se fonde sur les besoins exprimés par les utilisateurs pour prendre sa décision. Le programmeur : il cherche à tirer le meilleur parti de la machine qu’il programme tout en perdant le moins de temps possible en développements. Le programmeur cherche aussi à préserver ses programmes du temps qui passe et tente de les réutiliser de machine en machine afin de ne pas tout recommencer à chaque fois. Beaucoup d’élèves ingénieurs estiment spontanément que seule la 3e catégorie doit s’intéresser aux cours d’informatique et, notamment, aux systèmes d’exploitation. En fait, ceci est faux et c’est même une erreur grave.

Extrait du sommaire:

Glossaire 9
Introduction 11
Pourquoi un système d’exploitation ? 11
Pourquoi étudier les systèmes d’exploitation ? 12
Plan du document 16
Les sujets qui ne sont pas traités dans ce document 18
Table des matières 19
I Les systèmes d’exploitation 25
1 Rappels sur l’architecture des ordinateurs 27
1.1 Représentation symbolique et minimaliste d’un ordinateur 27
1.2 Représentation fonctionnelle d’un ordinateur 28
1.3 Mode noyau versus mode utilisateur 40
1.4 Le jeu d’instructions 41
1.5 Rôle de l’unité de gestion de mémoire 45
1.6 Performances des ordinateurs 47
1.7 Conclusion : que retenir de ce chapitre ? 53
2 Qu’est-ce qu’un système d’exploitation ? 55
2.1 Définitions et conséquences 56
2.2 Les appels système 58
2.3 Structure d’un système d’exploitation 60
2.4 Les différents types de systèmes d’exploitation 64
2.5 Les services des systèmes d’exploitation 66
2.6 Conclusion : que retenir de ce chapitre ? 67
3 Évolution des systèmes d’exploitation 69
3.1 Les origines et les mythes (16xx–1940) 70
3.2 La préhistoire (1940–1955) 70
3.3 Les ordinateurs à transistor (1955–1965) 74
3.4 Les circuits intégrés (1965–1980) 79
3.5 L’informatique moderne (1980–1995) 85
3.6 Les systèmes d’exploitation d’aujourd’hui 86
3.7 Conclusion : que faut-il retenir de ce chapitre ? 96
4 Compilation et édition de liens 97
4.1 Vocabulaire et définitions 100
4.2 Les phases de compilation 104
4.3 L’édition de liens 111
4.4 Structure des fichiers produits par compilation 115
4.5 Les problèmes d’adresses 117
4.6 Les appels système 119
5 La gestion des processus 121
5.1 Qu’est-ce qu’un processus ? 122
5.2 La hiérarchie des processus 126
5.3 Structures utilisées pour la gestion des processus 132
5.4 L’ordonnancement des processus (scheduling) 139
5.5 Conclusion 149
6 La gestion de la mémoire 151
6.1 Les adresses virtuelles et les adresses physiques 152
6.2 Les services du gestionnaire de mémoire 157
6.3 La gestion de la mémoire sans pagination 162
6.4 La pagination 165
6.5 Conclusion 168
7 Le système de fichiers 169
7.1 Les services d’un système de fichier 170
7.2 L’organisation des systèmes de fichiers 176
7.3 La gestion des volumes 182
7.4 Améliorations des systèmes de fichiers 185
8 Les architectures multi-processeurs et les threads 191
8.1 De la loi de Moore au multi-coeurs 191
8.2 Les threads 199
8.3 Conclusion 210
9 La virtualisation des systèmes d’exploitation 211
9.1 Les intérêts et les enjeux de la virtualisation 212
9.2 Les différentes solutions 216
9.3 Conclusion 228
II Programmation système en C sous Unix 229
10 Les processus sous Unix 231
10.1 Introduction 231
10.2 Les entrées / sorties en ligne 231
10.3 Les fonctions d’identification des processus 235
10.4 Exercices 236
10.5 Corrigés 238
10.6 Corrections détaillées 239
11 Les entrées / sorties sous Unix 245
11.1 Les descripteurs de fichiers 246
11.2 Les appels système associés aux descripteurs de fichier 246
11.3 La bibliothèque standard d’entrées / sorties 253
11.4 Exercices 258
11.5 Corrigés 259
11.6 Corrections détaillées 261
12 Création de processus sous Unix 267
12.1 La création de processus 267
12.2 L’appel système wait() 268
12.3 Exercices 269
12.4 Corrigés 270
12.5 Corrections détaillées 273
13 Recouvrement de processus sous Unix 289
13.1 Les appels système de recouvrement de processus 289
13.2 Exercices 291
13.3 Corrigés 293
14 Manipulation des signaux sous Unix 297
14.1 Liste et signification des différents signaux 297
14.2 Envoi d’un signal 298
14.3 Interface de programmation 299
14.4 Conclusion 302
14.5 Exercices 303
14.6 Corrigés 304
15 Les tuyaux sous Unix 307
15.1 Manipulation des tuyaux 308
15.2 Exercices 318
15.3 Corrigés 320
15.4 Corrections détaillées 329
16 Les sockets sous Unix 347
16.1 Introduction 347
16.2 Les RFC request for comments 347
16.3 Technologies de communication réseau 347
16.4 Le protocole IP 348
16.5 Interface de programmation 351
17 Les threads POSIX sous Unix 363
17.1 Présentation 363
17.2 Exercices 370
17.3 Corrigés 371
17.4 Architectures et programmation parallèle 379
18 Surveillances des entrées / sorties sous Unix 381
18.1 Introduction 381
18.2 L’appel système select() 382
18.3 Exercices 383
18.4 Corrigés 385
19 Utilisation d’un débogueur 393
19.1 Introduction 393
19.2 gdb, xxgdb, ddd et les autres 394
19.3 Utilisation de gdb 394
III Projets 407
20 Projet de carte bleue 409
20.1 Introduction 409
20.2 Cahier des charges 411
20.3 Conduite du projet 416
20.4 Évolutions complémentaires et optionnelles 420
20.5 Annexes 421
21 Le Scaphandre et le Papillon 427
21.1 Énoncé 427
21.2 Contraintes générales 427
21.3 Contraintes techniques 428
21.4 Services à mettre en oeuvre 429
21.5 Précisions 431
21.6 Déroulement du projet 431
22 Projet de Jukebox 433
22.1 Énoncé 433
22.2 Outils utilisés 433
22.3 Commandes de mpg123 434
22.4 Les ID3-tag 437
22.5 Suggestion d’un plan d’action 437
23 Administration distante 439
23.1 Position du problème 439
23.2 Le processus Machine 440
23.3 Le processus Administrateur 441
23.4 L’interface 444
23.5 Les dialogues 444
23.6 Consignes et cahier des charges 445
23.7 Améliorations possibles 447
23.8 Aide mémoire 448
24 Parcours multi-agents dans un labyrinthe 455
24.1 Position du problème 456
24.2 L’organisation générale 461
24.3 Mise en oeuvre du projet 465
24.4 Conseils en vrac 469
25 Course de voitures multi-threads 471
25.1 Présentation 471
25.2 Cahier des charges 476
25.3 Annexes 479
IV L’aide-mémoire du langage C 487
26 Aide-mémoire de langage C 489
26.1 Éléments de syntaxe 491
26.2 La compilation sous Unix 493
26.3 Types, opérateurs, expressions 500
26.4 Tests et branchements 514
26.5 Tableaux et pointeurs 518
26.6 Le préprocesseur 527
26.7 Fonctions d’entrée/sortie 531
26.8 Compléments : la bibliothèque standard et quelques fonctions annexes 534
Index – Général 553
Index – Programmation 557
Bibliographie 559

Cours divers en électronique 6
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