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Partie 1 : Introduction 1
Introduction aux systèmes
d’exploitation
Partie 1: Introduction
Jalil BOUKHOBZA
UBO / Lab-STICC
Email : boukhobza@univ-brest.fr
Partie 1 : Introduction
2
PLAN DU COURS
1. Introduction aux systèmes d’exploitation
2. Les processus
1. La structure des processus
2. L’exclusion mutuelle
3. Communication inter processus
Cours
d’aujourd’hui
Partie 1 : Introduction 3
Partie 1 : Introduction
1. Préambule
2. Qu’est-ce qu’un système d’exploitation ?
3. La double fonction d’un système d’exploitation
4. Décomposition fonctionnelle d’un système
d’exploitation
5. Les différents types d’architecture de systèmes
d’exploitation
6. Autre classification des OS
Partie 1 : Introduction 4
1. PREAMBULE
 Ce cours a pour objet :
 de décrire le rôle et le fonctionnement d’un système d’exploitation
mono-processeur et multi-tâches
 d’apprendre à manipuler certains concepts de base
 Ces concepts de base seront essentiellement illustrés au
travers du système UNIX/Linux qui est un système :
 très homogène,
 très riche,
 très souple.
Partie 1 : Introduction 5
 Un ordinateur est constitué :
1. Du matériel
 Dispositifs physiques
 Langage machine
2. D’un système d’exploitation
3. De programmes
 Programmes système
 Programmes d’applications
Compilateur Editeur Base de données
Applications
Système d’exploitation
Matériel
Utilisateur 1 Utilisateur 2 … Utilisateur N
2. QU’EST-CE QU’UN SYSTEME D’EXPLOITATION (1)
Partie 1 : Introduction 6
Le matériel (Hardware): Les dispositifs physiques constituent la
couche la plus basse du matériel.
 le processeurs,
 la mémoire principale,
 des disques,
 des imprimantes
 des interfaces de connexion réseau ,
 …
2. QU’EST-CE QU’UN SYSTEME D’EXPLOITATION (2)
Partie 1 : Introduction 7
Le système d’exploitation (Operating System ou OS ou
SE): c’est le plus important des programmes systèmes :
1. Il contrôle les ressources de l’ordinateur.
2. Il libère le programmeur de la complexité du matériel.
Il se compose:
 D’un noyau (kernel): partie la plus critique d’un OS. Il permet aux
éléments matériel et logiciel de communiquer entre eux, de fonctionner
ensemble et de former un tout. Pour ces raisons, il est le premier logiciel
chargé en mémoire.
 Des outils système: partie permettant à l’utilisateur de tirer profit de
l’OS, de gérer les périphériques, les configurer …En bref, ils fournissent
une interface d’accès au système.
Exemple de tâche:
 LIRE UN BLOC DU FICHIER, …
2. QU’EST-CE QU’UN SYSTEME D’EXPLOITATION (3)
Partie 1 : Introduction 8
Les programmes (Software, applications): ils sont
écrits
 par les utilisateurs
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 But: résoudre des problèmes spécifiques tels que:
 le traitement des données commerciales,
 les calculs scientifiques,
 etc.
2. QU’EST-CE QU’UN SYSTEME D’EXPLOITATION (4)
Partie 1 : Introduction 9
3. LA DOUBLE FONCTION D’UN SYSTÈME
D’EXPLOITATION
 Un système d’exploitation permet de répondre à deux
besoins qui ne sont pas forcément liés :
1. le système d’exploitation en tant que machine étendue (ou
« machine virtuelle »),
2. le système d’exploitation en tant que gestionnaire de
ressources.
 Exemple de systèmes d’exploitation:
 Linux, Mac OS, Windows 9X, Me, 2000, XP, MS-DOS, MINIX,
etc.
Partie 1 : Introduction 10
3.1 En tant que machine étendue
 Le système d’exploitation correspond à « l’interface » entre les
applications et le matériel.
 De ce point de vue le système d’exploitation peut être assimilé à
une machine étendue ou virtuelle plus facile à programmer ou à
utiliser que le matériel :
 Un programmeur va utiliser le système d’exploitation par
l’intermédiaire “ d’appels système ”.
 Un utilisateur peut lui aussi – dans une certaine mesure – manipuler
un système d’exploitation, sans pour autant avoir à créer un
programme (commandes shell).
Partie 1 : Introduction 11
3.2 En tant que gestionnaire de ressources
 Les différents composants d’un ordinateur doivent coopérer et
partager des ressources.
 Dans cette optique, le travail du système d’exploitation
consiste à :
 ordonnancer,
 contrôler l’allocation des ressources :
 processeurs,
 mémoires,
 périphériques d’E/S,
 ...
entre les différents programmes qui y font appel.
Partie 1 : Introduction 12
3.2 En tant que gestionnaire de ressources (2)
Edition
Fic1
Edition
Fic2
SPOOL
Fic1
Fic2
Impression
Imprimante
Exemple : Gestion des impressions
Partie 1 : Introduction 13
3.2 En tant que gestionnaire de ressources (3)
 Pour chacune des ressources d’un ordinateur, le système
d’exploitation doit :
 connaître à tout moment l’utilisateur de la ressource,
 en accorder l’usage de manière équitable,
 éviter les conflits d’accès entre les différents programmes ou
utilisateurs.
 Les deux tâches essentiels du Système d’exploitation en tant
que gestionnaire des ressources sont :
 Le partage des ressources.
 La protection de l'accès aux ressources.
Partie 1 : Introduction 14
4. LES FONCTIONS DE BASE D’UN SYSTÈME
D’EXPLOITATION
1. La gestion des processus
 qui correspondent à l’exécution des programmes.
2. La gestion de la mémoire
 qui permet de gérer les transferts entre les mémoires principale et
secondaire.
3. Le système de fichiers
 qui offre à l’utilisateur une vision homogène et structurée des données
et des ressources : disques, périphériques.
4. Les entrées-sorties
 qui correspondent aux mécanismes qu’utilisent les processus pour
communiquer avec l’extérieur.
Partie 1 : Introduction 15
4. Autres fonctions d’un système d’exploitation
 Les réseaux d’ordinateurs
 avec les protocoles de communication, d’interconnexion et d’application.
 Les systèmes répartis
 avec les protocoles d’appels de procédures à distance (RPC)
 ou les objets distribués.
 Les systèmes de fenêtrage graphiques.
5. Les différents types d’architecture de systèmes
d’exploitation
 Différents types de systèmes d’exploitation:
 Monolithiques
 Modulaire / Multicouches
 Micronoyaux
 Exonoyaux
 Machine virtuelle
 Le noyau est généralement exécuté dans un espace mémoire séparé de
l’espace des applications: espace noyau. Par opposition à l’espace
utilisateur. Le passage entre ces deux espaces se fait via des appels
systèmes. L’intérêt de cette séparation est que le système ne crash/se
plante pas si une application plante.
Partie 1 : Introduction 16
OS Monolithiques
 Un seul bloc contenant
l’ensemble des services
système (mode noyau).
 Facilité de conception
 Performance peut être au
RDV …
 Code dur à maintenir
 Usine à gaz !!
 Dos, très vieux UNIX et
Linux, etc.
Partie 1 : Introduction 17
Application Application
service
service
service
service
service
service
Application
service
service
Matériel
Système
d’exploitation
OS Multicouches
 OS organisé en hiérarchie de
couches. Chacune construite
sur la base des services offerts
par la couche inférieure.
 Facilité de conception et de
développement
 Code plus organisé et
maintenable.
 Chargement des
fonctionnalités à la demande
 Linux, BSD, SOLARIS
Partie 1 : Introduction 18
Application Application
service
service
service
service
service
Application
service
Matériel
Système
d’exploitation
service service
OS Micronoyau
 Déplace plusieurs fonctions de l’OS vers des « processus serveur » s’exécutant en
mode utilisateur  réduction au maximum de la taille du code privilégié (en mode
noyau).
 But: gérer les communications entre applications et serveurs pour:
 Renforcer la politique de sécurité
 Permettre l’exécution de fonctions système (accès aux registres d’E/S, etc.).
 Fiabilité augmentée: si un processus serveur « crash », le système continue à
fonctionner et il est possible de relancer ce service sans redémarrer.
 Modèle facilement étendu à des systèmes distribués
 MAC OS X, GNU HURD, WindowsNT
Partie 1 : Introduction 19
Micronoyau
Processus
client
Processus
client
Processus
serveur
Serveur de
terminaux
Serveur de
fichiers
Serveur de
mémoire
Mode utilisateur
Mode noyau
Source: « Systèmes
d’exploitation », Andrew
Tanenbaum, 2ème édition, Pearson
Education 2001
OS Exonoyaux
 Le noyau se contente de multiplexer et
protéger l’accès aux ressources. Tout
le traitement qu’on trouve
habituellement dans un noyau
(mémoire virtuelle, système de fichiers,
...) est délégué à l’espace utilisateur via
des bibliothèques appelées «LibOS».
Plusieurs LibOS peuvent être utilisées
en parallèle.
 Gain de performance
 Pb de sécurité
 Isolation de bugs
 Domaine encore balbutiant.
Partie 1 : Introduction 20
Application Application
Application
Matériel
exonoyau
LibOS1 LibOS2 LibOS3
Espace
utilisateur
OS Machine virtuelle
 Possibilité de mettre
plusieurs OS sur une
machine physique.
 Le moniteur de machine
virtuelle (hyperviseur)
intercepte les instructions
privilégiées envoyées par
l’OS invité, les vérifie
(politique de sécurité) et les
exécute.
 XEN, VMWare, QEMU, etc.
Partie 1 : Introduction 21
Couche matériel
Système d’exploitation hôte
Moniteur de machine virtuelle
Application Application
Système
d’exploitation
invité
Application Application
Système
d’exploitation
invité
Machine
Virtuelle
5. Autre classification des OS
 OS temps partagé: garantir le partage équitable du temps
processeur et des ressources dans le but de maximiser le temps
de traitement et de réduire le temps de réponse moyen.
 OS temps réel: garantir les temps de réponse
 Systèmes à contraintes souples/molles: systèmes acceptant des variations
minimes de temps de réponse (systèmes multimédias)
 Systèmes à contraintes dures: gestion stricte du temps pour conserver
l’intégrité du système (déterminisme logique et temporel et fiabilité)
 OS embarqué: OS prévus pour fonctionner sur des machines de
petite taille, (PDA ou des appareils électroniques autonomes:
sondes spatiales, robot, ordinateur de bord, etc.), possédant une
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limitées … cours de Master2 Logiciel pour les Systèmes Embarqués
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Partie 1 : Introduction 22

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  • 1. Partie 1 : Introduction 1 Introduction aux systèmes d’exploitation Partie 1: Introduction Jalil BOUKHOBZA UBO / Lab-STICC Email : boukhobza@univ-brest.fr
  • 2. Partie 1 : Introduction 2 PLAN DU COURS 1. Introduction aux systèmes d’exploitation 2. Les processus 1. La structure des processus 2. L’exclusion mutuelle 3. Communication inter processus Cours d’aujourd’hui
  • 3. Partie 1 : Introduction 3 Partie 1 : Introduction 1. Préambule 2. Qu’est-ce qu’un système d’exploitation ? 3. La double fonction d’un système d’exploitation 4. Décomposition fonctionnelle d’un système d’exploitation 5. Les différents types d’architecture de systèmes d’exploitation 6. Autre classification des OS
  • 4. Partie 1 : Introduction 4 1. PREAMBULE  Ce cours a pour objet :  de décrire le rôle et le fonctionnement d’un système d’exploitation mono-processeur et multi-tâches  d’apprendre à manipuler certains concepts de base  Ces concepts de base seront essentiellement illustrés au travers du système UNIX/Linux qui est un système :  très homogène,  très riche,  très souple.
  • 5. Partie 1 : Introduction 5  Un ordinateur est constitué : 1. Du matériel  Dispositifs physiques  Langage machine 2. D’un système d’exploitation 3. De programmes  Programmes système  Programmes d’applications Compilateur Editeur Base de données Applications Système d’exploitation Matériel Utilisateur 1 Utilisateur 2 … Utilisateur N 2. QU’EST-CE QU’UN SYSTEME D’EXPLOITATION (1)
  • 6. Partie 1 : Introduction 6 Le matériel (Hardware): Les dispositifs physiques constituent la couche la plus basse du matériel.  le processeurs,  la mémoire principale,  des disques,  des imprimantes  des interfaces de connexion réseau ,  … 2. QU’EST-CE QU’UN SYSTEME D’EXPLOITATION (2)
  • 7. Partie 1 : Introduction 7 Le système d’exploitation (Operating System ou OS ou SE): c’est le plus important des programmes systèmes : 1. Il contrôle les ressources de l’ordinateur. 2. Il libère le programmeur de la complexité du matériel. Il se compose:  D’un noyau (kernel): partie la plus critique d’un OS. Il permet aux éléments matériel et logiciel de communiquer entre eux, de fonctionner ensemble et de former un tout. Pour ces raisons, il est le premier logiciel chargé en mémoire.  Des outils système: partie permettant à l’utilisateur de tirer profit de l’OS, de gérer les périphériques, les configurer …En bref, ils fournissent une interface d’accès au système. Exemple de tâche:  LIRE UN BLOC DU FICHIER, … 2. QU’EST-CE QU’UN SYSTEME D’EXPLOITATION (3)
  • 8. Partie 1 : Introduction 8 Les programmes (Software, applications): ils sont écrits  par les utilisateurs  ou par les éditeurs de logiciels  But: résoudre des problèmes spécifiques tels que:  le traitement des données commerciales,  les calculs scientifiques,  etc. 2. QU’EST-CE QU’UN SYSTEME D’EXPLOITATION (4)
  • 9. Partie 1 : Introduction 9 3. LA DOUBLE FONCTION D’UN SYSTÈME D’EXPLOITATION  Un système d’exploitation permet de répondre à deux besoins qui ne sont pas forcément liés : 1. le système d’exploitation en tant que machine étendue (ou « machine virtuelle »), 2. le système d’exploitation en tant que gestionnaire de ressources.  Exemple de systèmes d’exploitation:  Linux, Mac OS, Windows 9X, Me, 2000, XP, MS-DOS, MINIX, etc.
  • 10. Partie 1 : Introduction 10 3.1 En tant que machine étendue  Le système d’exploitation correspond à « l’interface » entre les applications et le matériel.  De ce point de vue le système d’exploitation peut être assimilé à une machine étendue ou virtuelle plus facile à programmer ou à utiliser que le matériel :  Un programmeur va utiliser le système d’exploitation par l’intermédiaire “ d’appels système ”.  Un utilisateur peut lui aussi – dans une certaine mesure – manipuler un système d’exploitation, sans pour autant avoir à créer un programme (commandes shell).
  • 11. Partie 1 : Introduction 11 3.2 En tant que gestionnaire de ressources  Les différents composants d’un ordinateur doivent coopérer et partager des ressources.  Dans cette optique, le travail du système d’exploitation consiste à :  ordonnancer,  contrôler l’allocation des ressources :  processeurs,  mémoires,  périphériques d’E/S,  ... entre les différents programmes qui y font appel.
  • 12. Partie 1 : Introduction 12 3.2 En tant que gestionnaire de ressources (2) Edition Fic1 Edition Fic2 SPOOL Fic1 Fic2 Impression Imprimante Exemple : Gestion des impressions
  • 13. Partie 1 : Introduction 13 3.2 En tant que gestionnaire de ressources (3)  Pour chacune des ressources d’un ordinateur, le système d’exploitation doit :  connaître à tout moment l’utilisateur de la ressource,  en accorder l’usage de manière équitable,  éviter les conflits d’accès entre les différents programmes ou utilisateurs.  Les deux tâches essentiels du Système d’exploitation en tant que gestionnaire des ressources sont :  Le partage des ressources.  La protection de l'accès aux ressources.
  • 14. Partie 1 : Introduction 14 4. LES FONCTIONS DE BASE D’UN SYSTÈME D’EXPLOITATION 1. La gestion des processus  qui correspondent à l’exécution des programmes. 2. La gestion de la mémoire  qui permet de gérer les transferts entre les mémoires principale et secondaire. 3. Le système de fichiers  qui offre à l’utilisateur une vision homogène et structurée des données et des ressources : disques, périphériques. 4. Les entrées-sorties  qui correspondent aux mécanismes qu’utilisent les processus pour communiquer avec l’extérieur.
  • 15. Partie 1 : Introduction 15 4. Autres fonctions d’un système d’exploitation  Les réseaux d’ordinateurs  avec les protocoles de communication, d’interconnexion et d’application.  Les systèmes répartis  avec les protocoles d’appels de procédures à distance (RPC)  ou les objets distribués.  Les systèmes de fenêtrage graphiques.
  • 16. 5. Les différents types d’architecture de systèmes d’exploitation  Différents types de systèmes d’exploitation:  Monolithiques  Modulaire / Multicouches  Micronoyaux  Exonoyaux  Machine virtuelle  Le noyau est généralement exécuté dans un espace mémoire séparé de l’espace des applications: espace noyau. Par opposition à l’espace utilisateur. Le passage entre ces deux espaces se fait via des appels systèmes. L’intérêt de cette séparation est que le système ne crash/se plante pas si une application plante. Partie 1 : Introduction 16
  • 17. OS Monolithiques  Un seul bloc contenant l’ensemble des services système (mode noyau).  Facilité de conception  Performance peut être au RDV …  Code dur à maintenir  Usine à gaz !!  Dos, très vieux UNIX et Linux, etc. Partie 1 : Introduction 17 Application Application service service service service service service Application service service Matériel Système d’exploitation
  • 18. OS Multicouches  OS organisé en hiérarchie de couches. Chacune construite sur la base des services offerts par la couche inférieure.  Facilité de conception et de développement  Code plus organisé et maintenable.  Chargement des fonctionnalités à la demande  Linux, BSD, SOLARIS Partie 1 : Introduction 18 Application Application service service service service service Application service Matériel Système d’exploitation service service
  • 19. OS Micronoyau  Déplace plusieurs fonctions de l’OS vers des « processus serveur » s’exécutant en mode utilisateur  réduction au maximum de la taille du code privilégié (en mode noyau).  But: gérer les communications entre applications et serveurs pour:  Renforcer la politique de sécurité  Permettre l’exécution de fonctions système (accès aux registres d’E/S, etc.).  Fiabilité augmentée: si un processus serveur « crash », le système continue à fonctionner et il est possible de relancer ce service sans redémarrer.  Modèle facilement étendu à des systèmes distribués  MAC OS X, GNU HURD, WindowsNT Partie 1 : Introduction 19 Micronoyau Processus client Processus client Processus serveur Serveur de terminaux Serveur de fichiers Serveur de mémoire Mode utilisateur Mode noyau Source: « Systèmes d’exploitation », Andrew Tanenbaum, 2ème édition, Pearson Education 2001
  • 20. OS Exonoyaux  Le noyau se contente de multiplexer et protéger l’accès aux ressources. Tout le traitement qu’on trouve habituellement dans un noyau (mémoire virtuelle, système de fichiers, ...) est délégué à l’espace utilisateur via des bibliothèques appelées «LibOS». Plusieurs LibOS peuvent être utilisées en parallèle.  Gain de performance  Pb de sécurité  Isolation de bugs  Domaine encore balbutiant. Partie 1 : Introduction 20 Application Application Application Matériel exonoyau LibOS1 LibOS2 LibOS3 Espace utilisateur
  • 21. OS Machine virtuelle  Possibilité de mettre plusieurs OS sur une machine physique.  Le moniteur de machine virtuelle (hyperviseur) intercepte les instructions privilégiées envoyées par l’OS invité, les vérifie (politique de sécurité) et les exécute.  XEN, VMWare, QEMU, etc. Partie 1 : Introduction 21 Couche matériel Système d’exploitation hôte Moniteur de machine virtuelle Application Application Système d’exploitation invité Application Application Système d’exploitation invité Machine Virtuelle
  • 22. 5. Autre classification des OS  OS temps partagé: garantir le partage équitable du temps processeur et des ressources dans le but de maximiser le temps de traitement et de réduire le temps de réponse moyen.  OS temps réel: garantir les temps de réponse  Systèmes à contraintes souples/molles: systèmes acceptant des variations minimes de temps de réponse (systèmes multimédias)  Systèmes à contraintes dures: gestion stricte du temps pour conserver l’intégrité du système (déterminisme logique et temporel et fiabilité)  OS embarqué: OS prévus pour fonctionner sur des machines de petite taille, (PDA ou des appareils électroniques autonomes: sondes spatiales, robot, ordinateur de bord, etc.), possédant une autonomie réduite  gestion avancée de l'énergie + ressources limitées … cours de Master2 Logiciel pour les Systèmes Embarqués (LSE). Partie 1 : Introduction 22