INFO502 : Systèmes d'exploitation

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Introduction

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Repères historiques

Voici quelques évènements clés dans l'histoire des systèmes d'exploitation. Pour plus de détails, ou pour des compléments sur l'histoire de l'informatique, je vous renvoie sur Wikipedia : "History of operating systems" et "History of computing".

Les premiers ordinateurs ne comportaient pas vraiment de système d'exploitation : c'étaient des opérateurs humains qui géraient tout. (C'était juste après la seconde guerre mondiale, l faut savoir que les langages de programmation n'existaient même pas...) La petite histoire (??) raconte qu'à un moment, les processus pour l'ordinateur de l'université de Cambridge étaient accrochés sur une corde à linge et que c'était la couleur des pinces à linges qui donnait la priorité. (??)

Le passage à la notion de système d'exploitation c'est faite graduellement pour répondre à la complexité de plus en plus grande des ordinateurs et aux demandes des utilisateurs.

Les premier systèmes d'exploitation datent probablement de 1956. Ils permettaient simplement d'exécuter un nouveau programme lorsque le précédent était terminé. Les ordinateurs d'IBM de la famille System/360 ont ensuite eu toute une série de systèmes d'exploitation plus ou moins similaires : OS/360, DOS/360 (rien à voir avec MS-DOS), TSS/360... C'est à cette époque qu'est apparu la notion de multiprogrammation (possibilité d'avoir plusieurs processus entrelacés.) C'est également au début des années 60 qu'on a commencé à voir des systèmes avec temps partagé : plusieurs utilisateurs pouvaient utiliser un ordinateur. Le système Multics a été, à ce niveau comme à d'autres, assez révolutionnaire. Multics a été utilisé jusqu'en 2000 !

Multics n'était par contre pas approprié pour les mini-ordinateurs où le nombre d'utilisateur est relativement restreint. En 1969, Ken Thomson a développé une variante simplifié de Multix : Unix...

Ce n'est qu'un peu plus tard (1979) que la première version de DOS (86-DOS ou QDOS) apparaît. 86-DOS sera racheté par Microsoft un 1980...

Liens et compléments :

• Timeline of operating systems
• généalogie des systèmes Unix : Unix History
• généalogie de Windows : Windows History
• généalogie des systèmes non-Unix : timeline of non-Unix operating systems

Vue d'ensemble

Ce cours reste assez généraliste et essaie de regarder les principales fonction d'un système d'exploitation. Les systèmes de type Unix (Linux) sera un exemple privilégié. À cause de leur complexité intrinsèque, les évolutions modernes (architectures multicoeur ou multiprocesseur, ...) seront en partie ignorée dans un premier temps.

Les problèmes fins de communication entres processus ne seront que très peu abordés, car ils font l'objet d'un cours séparé (info604) pour la filière info.

Nous allons suivre l'ordre classique consistant à regarder :

1. les processus
2. la mémoire
3. les entrées / sorties

La fin du cours dépendra du temps restant...

Les processus

Un processus est simplement un programme « en exécution ». À tout instant, un ordinateur de bureau contemporain contient de nombreux processus qui doivent partager le (les) processeur(s) pour donner l'impression qu'ils s'exécutent « en même temps ». Un des rôles du système d'exploitation consiste à décider dans quel ordre les processus vont effectivement pouvoir utiliser le processus.

La mémoire

La mémoire est, comme le processeur, une ressource partagée par les différents processus. Il faut donc gérer la quantité de mémoire allouée et utilisée pour que les processus n'aient pas à s'occuper de ceci. Un des concepts fondamentaux est celui de mémoire virtuelle. Ceci permet d'offrir un espace mémoire pour chacun des processus de manière transparente.

Les entrées / sorties

Un ordinateur n'est pas (plus) un système indépendant du reste du monde : il interagit avec l'extérieur à travers des périphériques d'entrées/sorties (clavier / écran / souris / ...). La gestion de ces périphériques pose un ensemble de problèmes que nous aborderons brièvement...

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Une fois ces notions vues, nous regarderons peut-être les problèmes de sécurité, de multimédia ou des architectures multiprocesseurs.

Préliminaires

Quoi ?

Les ordinateurs, ou plus simplement les microcontroleur sont des circuit électronique avec une puce « processeur ». Le développement d'applications n'est pas facile si on se place au niveau électronique et que l'on parle directement au CPU. Pour faciliter la vie des programmeurs, plusieurs couches d'abstraction sont nécessaires. La première se place au niveau matériel et s'occupe directement des problème électroniques ou de très bas niveau. Il s'agit du firmware. Il répond par exemple aux questions comme :

• qu'elle est l'amplitude des signaux envoyés par l'horloge ?
• est-ce que l'UC possède un pipeline ?
• ...

Un firmware est donc forcement très lié au matériel sur lequel il tourne.

La couche suivante est le système d'exploitation à proprement parler. Dans le cas que vous connaissez le mieux (ordinateur personnel), le système d'exploitation fournit une interface pour :

• exécuter un programme
• exécuter plusieurs programmes « en même temps »
• gérer les ressources (temps processeur, mémoire disponible, entrées / sorties)
• les opérations sur les fichiers
• offrir des garanties de sécurité

Où ?

On trouve des système d'exploitation partout :

• dans les ordinateurs personnels (Linux, BSD, MacOS, Solaris, Windows, ChromeOS (?))
• dans les PDA (PalmOS, ...)
• dans les téléphones portables (Android, OpenMoko,)
• console de jeux
• lecteur MP3 (Rockbox, ...)
• les microcontroleurs « avancés »

Comment ?

Langage de programmation

Le système d'exploitation se situe entre le firmware (très bas niveau) et l'utilisateur. La nécessité d'accéder à ces ressources de très bas niveau implique que les langages de haut niveaux (Java, Ada, Python, ...) ne sont pas du tout adaptés à l'écriture des systèmes d'exploitation. Le langage le plus utilisé reste à ce jours le langage C : Linux, BSD, MacOS, Windows, ... sont tous écrits pour leur plus grande partie en C.

Vous avez normalement un cours de C en parallèle, et les TP utiliseront le langage C. (La référence sur le langage C reste à mon goût le livre de Kernighan et Ritchie : « the C Programming language ». (Disponible en francais à la BU sous le titre « Le langage C : norme Ansi ».) Il existe de nombreux autres livres / documents sur la programmation C comme le polycopié de Bernard Cassagne « introduction au langage C ».

Les premiers systèmes d'exploitation étaient écrits directement en langage machine, ou bien en langage d'assembleur ; et les systèmes actuels comportent encore quelques parties de très bas niveau en langage d'assemblage...

Notion d'appel système, norme POSIX

La programmation de haut niveau en C est assez différentes de la programmation système. De nombreuses fonctions C utilisent en fait des « appels système », c'est à dire des appels de fonctionnalités propres du système d'exploitation. Les appels système typiques sont :

• les fonctions relatives aux fichiers (création, suppression, modification...)
• les fonctions relatives à la gestion de la mémoire (malloc et free)
• les fonctions relatives aux processus (fork)
• ...

De nombreux système d'exploitation proposent une interface POSIX (« Portable Operating System Interface for Unix »). Cette norme définit entre autres un ensemble de fonctions pour utiliser les appels systèmes. Le nombre de ces fonctions est relativement faible : une centaine ; et chacune correspond en gros à un appel système.

Les principaux systèmes compatibles POSIX sont :

• Linux
• BSD (et variantes)
• Mac OS X
• Solaris

De nombreux appels systèmes sont disponibles directement (sans avoir besoin d'écrire un programme C) à travers le shell. Exécuté dans un terminal, le shell permet, en première approximation, de passer directement des commandes au système d'exploitation. (La norme POSIX définit également un ensemble de fonctions du shell. Il est donc relativement aisé de changer de système d'exploitation tant qu'on reste dans les systèmes compatibles POSIX.)

Windows d'un autre coté utilise l'interface Win32 API, qui définit plusieurs milliers de fonctions. La plupart de ces fonctions peuvent utiliser plusieurs appels système...

Les systèmes d'exploitation qui utilisent l'API Win32 sont :

• Windows, depuis Windows95.

Il est possible d'installer un environnement compatible POSIX sur une machine Windows grace à Cygwin. (C'est d'ailleurs fortement conseillé si vous ne voulez pas installer une version de Linux ou BSD sur votre ordinateur personnel...)

Mode noyaux / mode utilisateur

Les fonctionnalités de très bas niveau offertes par le noyau peuvent facilement planter l'ordinateur. Il faut donc une politique de restriction pour que tous les programmes ne puissent y accéder dans leur totalité. On parle de

• mode noyaux
• mode utilisateur

Dans le mode utilisateur, on ne peut accéder à ces fonctionnalités qu'a travers les appels systèmes ; dans le mode noyau, on peut tout faire... Bien entendu, un appel système doit passer momentanément passer en mode noyau pour pouvoir exécuter les commandes pertinentes, puis il repasse automatiquement en mode utilisateur.

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Références

• le livre « Systèmes d'exploitation » de Andrew Tanenbaum est disponible à la BU
• la page du projet SOS
• la norme POSIX:2004
• l'API win32
• Commentary on the Sixth Edition UNIX Operating System