Représentation de l’information¶

Un processeur manipule l’information sous forme binaire. L’élément de base pour stocker et représenter de l’information dans un système informatique est donc le bit. Un bit (binary digit en anglais) peut prendre deux valeurs qui par convention sont représentées par :

• 1
• 0

Physiquement, un bit est représenté sous la forme d’un signal électrique ou optique lorsqu’il est transmis et d’une charge électrique ou sous forme physique (par exemple, magnétique) lorsqu’il est stocké. Nous n’aborderons pas ces détails technologiques dans le cadre de ce cours. Ils font l’objet de nombreux cours d’électronique.

Le bit est l’unité de base de stockage et de transfert de l’information. En général, les systèmes informatiques ne traitent pas des bits individuellement, mais par blocs. On appelle un nibble un bloc de 4 bits consécutifs et un octet (ou byte en anglais) un bloc de 8 bits consécutifs. On parle de mots (word en anglais) pour des groupes comprenant généralement 32 bits et de long mot pour des groupes de 64 bits.

Suivant l’architecture de Von Neumann, les données tout comme les instructions à exécuter par le processeur sont stockées sous forme binaire dans la mémoire. Le processeur va donc lire la prochaine instruction à exécuter sous forme d’un groupe de bits, la déchiffrer, et appliquer l’effet prévu pour l’instruction correspondante, avant de recommencer. L’identité de l’instruction à exécuter est déterminée en décodant les premiers bits de l’instruction; le reste contient ses arguments ou opérandes.

Un jeu d’instruction peut contenir des centaines d’instructions différentes. Certaines instructions ont pour objectif de déterminer la prochaine instruction à lire depuis la mémoire, décoder et exécuter. Ces instructions de contrôle de flux permettent de mettre en œuvre les structures de contrôle : conditionnelles et boucles. D’autres instructions effectuent des calculs, ou permettent de lire ou d’écrire des donnés depuis et vers la mémoire.

Interaction avec le monde extérieur¶

Le processeur et la mémoire ne sont pas les deux seuls composants d’un système informatique. Celui-ci doit également pouvoir interagir avec le monde extérieur, ne fut-ce que pour pouvoir charger le programme à exécuter et les données à analyser. Cette interaction se réalise grâce à un grand nombre de dispositifs d’entrées/sorties et de stockage. Parmi ceux-ci, on peut citer :

• le clavier qui permet à l’utilisateur d’entrer des caractères;
• l’écran qui permet à l’utilisateur de visualiser le fonctionnement des programmes et les résultats qu’ils produisent;
• l’imprimante qui permet à l’ordinateur d’écrire sur papier les résultats de l’exécution de programmes;
• le disque-dur, les clés USB, les CDs et DVDs qui permettent de stocker les données sous la forme de fichiers et de répertoires;
• la souris ou la tablette graphique qui permettent à l’utilisateur de fournir à l’ordinateur des indications de positionnement;
• le scanner qui permet à l’ordinateur de transformer un document en une image numérique;
• le haut-parleur avec lequel l’ordinateur peut diffuser différentes sortes de son;
• le microphone et la caméra qui permettent à l’ordinateur de capturer des informations sonores et visuelles pour les stocker ou les traiter.

Les dispositifs d’entrée/sortie et de stockage sont gérés par des contrôleurs de périphériques spécifiques. Par exemple, un contrôleur de périphérique pour le clavier peut être un micro-contrôleur qui interagit avec le dispositif matériel et détecte la frappe de touches. Ce contrôleur de périphérique dispose d’une mémoire propre, qui contient l’identifiant de la touche qui vient d’être frappée.

Il est nécessaire, lorsque l’utilisateur fait une saisie au clavier, que le système puisse récupérer l’information de la mémoire du contrôleur afin de la traiter. Les entrées/sorties se déroulent de manière concurrente (en même temps) que l’exécution par le processeur des instructions du programme principal. Il est donc nécessaire de signaler au processeur qu’un évènement externe est survenu. Ceci est possible grâce au mécanisme d’interruption.

Une interruption est un signal extérieur au processeur qui force celui-ci à arrêter l’exécution du programme en cours, et à passer le contrôle du processeur à une routine de traitement qui va pouvoir la prendre en compte. Cette routine va tout d’abord déterminer la cause de l’interruption, soit en interrogeant un à un les contrôleurs de périphériques soit en utilisant un vecteur d’interruptions qui indique directement le contrôleur à la source de l’interruption. Un code de traitement spécifique est ensuite appelé qui peut, dans notre exemple, récupérer l’information de la mémoire interne du contrôleur du clavier pour la placer en mémoire principale.

Outre les contrôleurs de périphériques externes comme le clavier, la souris ou une manette de jeu, il existe de nombreuses sources d’interruption possibles : une horloge générant une interruption de manière périodique (par exemple, toutes les 10 millisecondes), un dispositif de stockage annonçant la complétion d’une opération d’écriture ou de lecture, ou encore un périphérique réseau annonçant la réception de données.

Rôle(s) du système d’exploitation¶

L’utilisation directe d’un système informatique par un programme unique est en théorie possible : c’est d’ailleurs ainsi que les premiers ordinateurs des années 50 étaient utilisés. Le programme devait alors prévoir les instructions spécifiques pour utiliser les ressources matérielles de l’ordinateur cible, et prendre en compte ses caractéristiques matérielles. Très rapidement (dès la fin des années 50), la nécessité d’un logiciel intermédiaire simplifiant et systématisant l’utilisation du matériel, comme par exemple la gestion des interruptions et des entrées/sorties que nous venons de décrire, s’est imposé. Tout système informatique comprend ainsi depuis un système d’exploitation.

Un système d’exploitation remplit trois rôles principaux :

• Le premier rôle du système d’exploitation est de rendre l’exécution et l’utilisation de programmes “utiles” pour l’utilisateur plus aisée et systématique, en simplifiant l’utilisation de ressources matérielles de nature pourtant hétérogènes.
• Son deuxième rôle est de rentre l’utilisation de ces ressources plus efficace, en permettant par exemple le recouvrement entre les opérations d’entrée/sortie et l’exécution des programmes, ou l’utilisation du système par plusieurs programmes et/ou plusieurs utilisateurs à la fois.
• Son troisième rôle, enfin, est d’assurer la sécurité et l’intégrité du système informatique lui même et des données qui lui sont confiées. Par exemple, un programme qui rencontre une erreur (e.g., qui essaie d’exécuter une instruction qui n’existe pas) ne doit pas remettre en cause ou stopper l’exécution des autres programmes, et les données d’un utilisateur doivent être protégé de l’accès par d’autres utilisateurs du même système.

Le système d’exploitation remplit ces trois rôles grâce à la virtualisation des ressources matérielles. À partir de ressources matérielles de natures variées, le système d’exploitation construit des représentations virtuelles. Ces représentations sont plus faciles à utiliser pour les programmeurs d’applications, et disponibles au travers d’interfaces programmatiques (Application Programming Interfaces en anglais - API). Par ailleurs, ces représentations sont généralement à visée universelle, c’est à dire qu’elles ne diffèrent pas (ou très peu) d’un système d’exploitation à l’autre, même lorsque les systèmes informatiques et le matériel les composant diffèrent fortement.

Mise en œuvre du système d’exploitation¶

La mise en œuvre d’un système d’exploitation est une tâche complexe, qui doit prendre en compte plusieurs facteurs possiblement contradictoires :

1. la nécessité de fournir des abstractions et virtualisations des ressources les plus simples possibles à utiliser pour les programmeurs (et donc de plus haut niveau) ;
2. l’universalité des fonctionnalités, permettant de supporter des applications et usages variés avec un même système d’exploitation ;
3. la performance et le surcoût de ces couches d’abstraction et de virtualisation ;
4. leur complexité de mise en œuvre, et ce faisant, la complexité de leur mise en œuvre correcte (sans bug).

La conception d’un système d’exploitation est donc souvent une affaire de compromis entre ces différents aspects. Les coûts de mise en œuvre d’une abstraction dépendent par ailleurs fortement des capacités du matériel utilisé. Nous avons vu plus haut l’exemple de la DMA, permettant le transfert de données par blocs, directement entre un contrôleur de périphérique et la mémoire. Sans le support matériel de la DMA, un système d’exploitation ne peut pas mettre en œuvre efficacement le recouvrement entre les phases d’entrée/sortie d’un processus et les phases de traitement d’un autre processus. Les fonctionnalités des processeurs ont évolué, en réalité, conjointement à celle des systèmes d’exploitation, afin de permettre la mise en œuvre d’abstraction et de virtualisation plus poussées à un coût raisonnable.

Nous verrons plusieurs exemples de support matériel à la virtualisation des ressources et aux fonctions des systèmes d’exploitation dans ce cours. À titre d’illustration, nous allons utiliser le cas de la mémoire virtuelle dans cette introduction.

Interaction entre les applications et le système d’exploitation¶

Le système d’exploitation fournit des services aux applications permettant de simplifier et d’uniformiser l’utilisation des ressources du système informatique. Certains de ces services sont accessibles sous la forme de programmes utilitaires permettant la gestion du système ou son utilisation (comme, par exemple, un gestionnaire de login, un serveur ssh(1), ou un interpréteur de commande). D’autres sont accessibles sous la forme d’appels système; ceux-ci sont appelés directement par le programme ou, le plus souvent, utilisés par une librairie (comme la libc) qui facilite leur utilisation.

La mise en œuvre des appels systèmes participe du troisième rôle d’un système d’exploitation, qui est celui de l’isolation des programmes (et des utilisateurs) entre eux. Les processeurs modernes fournissent (au minimum) deux modes d’exécution :

• Le mode utilisateur est celui utilisé par les processus courants des utilisateurs, ainsi que par les utilitaires fournis par le système d’exploitation. En mode utilisateur, les programmes utilisent les abstractions fournies par le système d’exploitation comme la mémoire virtuelle, les processus, ou le système de fichiers. Certaines opérations, et l’accès à certaines parties de la mémoire, ne sont pas autorisés en mode utilisateur. Elles seront refusées par le processeur. Par exemple, il n’est pas permis d’utiliser les instructions configurant le traitement des interruptions en mode utilisateur (c’est raisonnable : bloquer le traitement des interruptions permettrait de bloquer le système informatique sans possibilité de corriger le tir).
• Le mode protégé est utilisé par le noyau du système d’exploitation. Le noyau est le composant de plus bas niveau, qui interagit directement avec le matériel. Les instructions qui ne sont pas autorisées en mode utilisateur, comme la configuration des interruptions, ou l’envoi d’instructions aux gestionnaires de périphériques, etc. sont autorisées en mode protégé.

L’utilisation de ces deux modes permet d’assurer l’isolation entre les processus s’exécutant en mode utilisateur, tout en permettant au noyau de gérer les ressources de manière globale. L’ensemble des ressources du système informatique, et donc l’ensemble des données stockées par les processus utilisateurs en mémoire, sont accessibles au noyau : la sécurité de ce composant est donc critique !

Un appel système permet d’utiliser une fonctionnalité (par exemple, créer un nouveau processus) qui requiert une action du noyau. Afin d’utiliser un appel système, un processus utilisateur va tout d’abord préparer les arguments de cet appel (comme on le ferait pour un appel de fonction classique). Le passage en mode noyau afin de demander le service de cet appel ne revient pas, en revanche, à un appel de fonction classique (où l’on branche vers la première instruction de la fonction à exécuter). À la place, le processus appelant doit générer une interruption logicielle, ou trap. Cette interruption fonctionne d’une manière similaire aux interruption matérielles que nous avons évoqué précédemment. Le processeur va automatiquement passer en mode protégé et exécuter le code point d’entrée du noyau, qui va déterminer l’appel système à traiter et effectuer l’opération. À la fin de ce traitement, le contrôle revient au processus appelant en mode utilisateur.

On notera que les interruption logicielles sont aussi utiles pour permettre au système d’exploitation de traiter les erreurs d’un processus en particulier sans que les autres processus soient affectés. Par exemple, si un processus tente d’effectuer une division par zéro, ou bien tente d’accéder à une partie de la mémoire non autorisée (le fameux segmentation fault) alors le processeur génère une interruption logicielle, redonnant ainsi le contrôle au noyau et permettant de traiter le problème (par exemple, en affichant un message d’erreur et en terminant le processus et libérant les ressources qu’il utilisait).

Unix¶

Il existe de nombreux systèmes d’exploitation, visant des usages variés, des objets connectés (comme RIOT) aux super-calculateurs, en passant par les ordinateurs personnels (comme Windows ou MaxOS). Nous nous intéresserons dans ce cours principalement au système GNU/Linux, qui est aujourd’hui le système d’exploitation de loin le plus répandu dans le monde. En effet, des déclinaisons de systèmes utilisant Linux équipent des systèmes informatiques de nature très variées, depuis les smartphones (Android) jusqu’aux supercalculateurs.

GNU/Linux est un représentant de la famille de systèmes d’exploitation Unix. Unix est aujourd’hui un nom générique [1]. La première version de Unix a été développée pour faciliter le traitement de documents sur mini-ordinateur.

Un système Unix est composé de trois grands types de logiciels :

• Le noyau du système d’exploitation qui est chargé automatiquement au démarrage de la machine et qui prend en charge toutes les interactions entre les logiciels et le matériel.
• De nombreuses librairies qui facilitent l’écriture et le développement d’applications
• De nombreux programmes utilitaires simples qui permettent de résoudre un grand nombre de problèmes courants. Certains de ces utilitaires sont chargés automatiquement lors du démarrage de la machine. La plupart sont exécutés uniquement à la demande des utilisateurs.

Les systèmes de la famille Unix présentent généralement une arborescence de fichiers unique (contrairement, par exemple, à Windows qui utilise le principe de “volumes” séparés). La racine de cette arborescence est le répertoire / par convention. Ce répertoire contient généralement une dizaine de sous répertoires dont les noms varient d’une variante de Unix à l’autre. Généralement, on retrouve dans la racine les sous-répertoires suivants :

• /usr : sous-répertoire contenant la plupart des utilitaires et librairies installées sur le système
• /bin et /sbin : sous-répertoire contenant quelques utilitaires de base nécessaires à l’administrateur du système
• /tmp : sous-répertoire contenant des fichiers temporaires. Son contenu est généralement effacé au redémarrage du système.
• /etc : sous-répertoire contenant les fichiers de configuration du système
• /home : sous-répertoire contenant les répertoires personnels des utilisateurs du système
• /dev : sous-répertoire contenant des fichiers spéciaux
• /root: sous-répertoire contenant des fichiers propres à l’administrateur système. Dans certains variantes de Unix, ces fichiers sont stockés dans le répertoire racine.

Les systèmes Unix ont introduit une bonne partie des concepts et abstractions modernes fournies par les systèmes d’exploitation, comme le partage et l’isolation de la mémoire ou la notion de processus. L’exécution d’un processus est initiée par le système d’exploitation (généralement suite à une requête faite par un autre processus). Ce processus peut s’exécuter pendant une fraction de secondes, quelques secondes ou des journées entières. Pendant son exécution, le processus peut potentiellement accéder aux différentes ressources (processeurs, mémoire, dispositifs d’entrées/sorties et de stockage) du système en utilisant des appels systèmes (ou en utilisant des fonctions de la librairie standard utilisant ces appels système). À la fin de son exécution, le processus se termine [2] ce qui permet au système d’exploitation de libérer les ressources qui lui avaient été allouées. Sous un système d’exploitation Unix, tout processus retourne au processus qui l’avait initié le résultat de son exécution qui est résumée par un nombre entier. Cette valeur de retour est utilisée en général pour déterminer si l’exécution d’un processus s’est déroulée correctement (zéro comme valeur de retour) ou non (valeur de retour différente de zéro).

Dans le cadre de ce cours, nous aurons l’occasion de voir en détails de nombreuses librairies d’un système Unix et verrons le fonctionnement d’appels systèmes qui permettent aux logiciels d’interagir directement avec le noyau. Le système Unix étant majoritairement écrit en langage C, ce langage est le langage de choix pour de nombreuses applications. Nous le verrons donc en détails.

Footnotes