Systmes dExploitation

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Systèmes dExploitation Machines Virtuelles

• Architectures et Conception des logicielles de
  base pour les systèmes informatiques
• Par Gilles Grimaud
• Université des Sciences et Technologies de Lille
• http//www.lifl.fr/grimaud/Cours

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Format de lenseignement

• 13 x 1h30 de cours
• Et 12 x
• 1h30 TD dont 1 CC et
• 1h30 TP
• 3 sujets de 4,5 heures
• 1 évaluation

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Objectif du cours

• Objectifs
• Acquérir des notions
• darchitecture des systèmes dexploitation
• dexploitation des matériels informatiques
• de sécurité fournies par les systèmes
• du rôle/activité des couches logicielles de base.
• Maîtriser les principes fondateurs des systèmes
  dexploitation en vue de
• Savoir utiliser les outils logiciels fournis
• Savoir concevoir des composants système.

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Rôles et fonctions dun système dexploitation

• Un Système informatique est un ensemble cohérent
  de matériels et de logiciels destinés à assurer
  le traitement automatique dinformations.
• Un tel système
• est relié au monde extérieur à laide de circuit
  daccès (écran, imprimante, clavier, scanner,
  capteurs, liaison réseau, )
• gère linformation (stockage, désignation,
  recherche, mise en forme, )
• cadre et opère la transformation de linformation
  adaptés aux rôle du système informatique
  (exécution de programmes variés selon les
  besoins, )
• ? Les supports fondamentaux de linformatique
  sont les mécanismes de mémoires, les
  mécanismes de traitement, les mécanismes de
  communication.

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Du circuit électronique au document Web

• Vers des modèles de plus en plus abstraits
• Une montre à quartz est un système informatique
  
• il stocke la date courante
• Il transforme cette information au cours du temps
  
• Il communique le résultat à lutilisateur du
  système.
• Un serveur Web est un système informatique
• Il exploite un système de fichiers, ou une base
  de données
• pour produire un document spécifique
• quil retransmet au client qui le lui a demandé.

Quartz
additionneurs
Bascules
Bascules
traitement
mémoire
communication
Cristaux liquides
Bascules
Internet
B.D.
ServletPhp
communication
traitement
mémoire
Fichier
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Fonctions dun système dexploitation

• Avec des prétentions variables en fonction des
  différents besoin, les systèmes dexploitation
  assurent fondamentalement trois tâches
• Gérer le matériel
• Fournir une abstraction du matériel
• Fiabiliser/sécuriser/administrer lexécution des
  traitements.

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Petite Histoire des systèmes dexploitation
Les débuts
1ers Systèmes
Temps partagé
Systèmes graphique
micro noyaux
Exo noyaux
SDS 930
Multics
Unix
Solaris
Linux
ST76
MS-DOS
MS-Windows
McOS- X -
MacOS
TOS
Workbench
Chorus
MAC
X-kernel
VM Ware
1945
1955
1965
2003
1975
1985
1995
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Quelques paradigmes pour la conception système

• Liaison
• Déf. relier une ressource (éventuellement
  matérielle) à un symbole. Permettre la
  manipulation de la ressource au travers de leur
  symbole.
• Objet permettre la manipulation symbolique des
  ressources, leurs partage entre plusieurs
  applications.
• Exemple liaison entre nom de fichier est un
  flux.
• Abstraction
• Déf. abstraire, cacher, la complexité dune
  ressource (éventuellement matérielle) en
  proposant une interface logicielle simplifiée
• Objet réduire la complexité apparente du
  système informatique.
• Exemple bibliothèques de bases.
• Virtualisation
• (Virtuel qui pourrait être mais qui nest
  pas.)
• Déf. Remplacer laccès a un matériel réel
  par laccès à un matériel qui pourrait être mais
  qui nest pas
• Objet exposer un matériel réel ou imaginaire
  et néanmoins le gérer.
• Exemple Système de mémoire virtuelle, Machines
  Virtuelle.

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clefs pour la programmation des systèmes
dexploitation

• 1. Programmation en couchePrincipe de
  programmation par bibliothèques
• Appel de routines systèmeUn système
  dexploitation peut être représenté au minimum
  comme un ensemble de bibliothèques logicielles
  qui fournissent des fonctions plus simple à
  manipuler que le matériel.
• Les systèmes dexploitation peuvent ce résumer à
  un ensemble de procédures fournies une bonne fois
  pour toutes pour simplifier lutilisation du
  matériel.
• Exemple Un système de fichier.

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Les systèmes dexploitation une clef pour la
tour de Babel ?
Application PHP
Application
Interprète PHP
Serveur Web
Socket TCP
Logiciel de base
abstraction
Routage IP
administration
Pilote Ethernet
gestion
Carte réseau
Matériel
11
Le système dexploitation Support pour
applications
Application 2
Application 1
Application 3
Support dexécution des applications
Logiciel Pilote 2
Logiciel Pilote 1
Matériel 2
Matériel 1
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Principes de la programmation des systèmes
dexploitation

• 2. Intégration de lasynchronisme La plus
  part du temps les programmes attendent un
  événement extérieur saisie dun mot au clavier,
  réception dun message via le réseau, signal de
  fin dimpression de limprimante
• Entrelacer lexécution des programmesUn système
  dexploitation doit donner la main à un autre
  programme lorsquun programme est en attende.
• Les systèmes dexploitation peuvent définir un
  ensemble de procédures de tel sorte quune
  application soit endormie la main lorsquelle
  attend quelque choses et quelle soit réveillée
  lorsque les données sont reçues. Des tampons
  démission et de réception permettent de
  temporiser les réveils et les endormissement des
  applications qui utilisent une ressource
  particulière.
• Exemple Un gestionnaire daccès à un disque dur.

13
Principes de la programmation des systèmes
dexploitation

• 3. Programmation par cadre de travail On ne
  vous dit plus quelles procédures le système met à
  votre disposition, mais quand et pourquoi le
  système appellera vos procédures pour que votre
  programme fonctionne !
• Appel en RetourUn système dexploitation peut
  définir la manière.
• Les systèmes dexploitation peuvent définir un
  ensemble de procédures que le programmeur
  dapplication doit définir et qui sont appelée
  lorsquun événement relatif à une application se
  produit.
• Exemple Un système de gestion de fenêtre
  graphique.

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Le système dexploitation Cadre de travail pour
applications
Cadre de travail
Application 1
Application 2
Support dexécution des applications
Pilote 2
Pilote 1
Matériel 2
Matériel 1
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le microprocesseur

• Rappel sur le fonctionnement dun ?processeur
  (RISC)
• Lire une opération
• Décoder
• Lire les données entrantes
• Exécuter lopération
• Ecrire les données sortantes

16 Registres indifférenciés PC n15 LR n14
(SP n13) Les opérations machines Unité
Arithmétique Logique CCCC 00 I Op(4) S Rn(5)
Rd(5) ImmRmLSL(12)Op AND, EOR, SUB, RSB,
ADD, ADC, SBC, RSC, TST, TEQ, CMP, CMN, ORR, MOV,
BIC, MVNI 0 ? Immediate I 1 ? Register
ShiftS 0 ? dont set CC I 1 ? Set Condition
Code Accès mémoire CCCC 01 IPUBWL Rn(5) Rd(5)
ImmRmLSL(12) I 0 ? Immediate I 1 ?
Register Shift P 0 ? Post P 1 ? pre U
0 ? down U 1 ? up B 0 ? Word B 1 ? Byte
W 0 ? no WriteBack W 1 ? WriteBack L 0 ?
LOAD L 1 ? STORE Flot de contrôle CCCC 1010
Offset(24) ou CCCC 0001 0x2FFF1 RnBL offset,
BX Rn Traitement des signaux matériels
déroutement pour les interruptions et
exceptions.
Clk
données
32
ARM7 TDI
IT
adresses
32
7
16
Gérer le microprocesseur

• Charger un programme
• Copier en mémoire centrale lensemble des mots
  mémoires qui constituent les opérations
  (machines) qui compose le programme à charger.
• Reloger les adresses mémoires du programme sil
  contient des _at_ particulières.
• Exécuter un programme
• Brancher ou sauter sur la première
  instruction du programme chargé.
• Partager le temps dexécution entre programmes
• Utiliser les signaux interruptions basé sur le
  temps pour donner successivement la main à
  différents programmes

Signaux dhorloge
Prog. n2
Prog. n2
Prog. n1
Prog. n1
?-proc
Interruption
Interruption
Interruption
Ordonnanceur
Ordonnanceur
Ordonnanceur
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Sabstraire du microprocesseur

• Exécuter un programme cest faire pointer le
  registre pointeur de programme sur la
  première instruction machine. Au fur et à mesure
  des cycles dhorloges, le programme sexécute.
• Comment un programme écrit en C, en PhP ou en
  Java fait dans ce contexte pour sexécuter sur un
  microprocesseur ?
• Trois techniques de base pour sabstraire du
  langage machine
• les compilateurs
• Convertir le fichier source en code machine
  
• les interpréteurs
• Exécuter un programme machine qui décode et
  exécute le source
• les machines virtuelles
• Définir un nouveau format de machine (virtuelle),
  puis compiler vers ce format puis décoder et
  exécuter ce format.

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Sabstraire du microprocesseur Lexemple dUnix
et du langage C
Fichier code C example.c
Fichier assembleurexample.s
Contenu binaire géré
int foo(int i) int main( int argc,
char argv) int i i 3 i foo(i)
int foo(int i) return i 1
main STR lr,sp,-4! MOV R0,3 BL foo
MOV R0,0 LDR lr,sp,4 BX lr foo ADD
R0,R0,1 BX lr
E5 2D E0 04 E3 A0 00 03 EB FF FF FC E3
A0 00 00 E4 9B E0 04 E1 2F FF 1E E2 80 00
01 E1 2F FF 1E
compilation
assemblage
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Les mémoires

• On peut qualifier les supports de mémoires
  disponibles selon trois critères

Type daccès
Vitesse daccès
adressage
Registres Mem interne
L / E
immédiat
interne
RAM
L / E
Rapide (1 Mot / 7 ns)
bus
ROM
L
1 Mot / 120 ns
bus
CD ROM, DVD
L
512 octets / 73 ?s 1
interface
EEPROM, FlashRAM
L / E 2
1 Mot / 80 ns
bus
M-RAM, Fe-RAM
L / E
Rapide ( 1 Mot / 26 ns)
bus
Disques, Disque Dur
L / E
4096 octets / 520 ?s 1
interface
Opto-magnétique
L / E
Lent
interface
1 latence importante2 écriture avec délais
important 64 Octets / 5ms
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Gérer les mémoires

• Gérer les registres
• Stratégie doptimisation du code généré
  (compileur)
• Gérer les mémoires derrière le bus
• Système de cache (matériel)
• Virtualisation de la mémoire (MMU).
• Gérer les mémoires derrière une interface
• Système de cache (logiciel)
• Mapping de la mémoire externe derrière la mémoire
  virtuelle.

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Sabstraire des mémoires

• Il existe un grand nombre de dabstractions
  utilisées pour exploiter la mémoire.
• Abstraction de ladressage
• Système de fichier, base de données, mémoire
  objet,
• Abstraction des méthodes daccès
• Lecture et écriture avec contrôle daccès,
• Gestion du polymorphisme, externalisation,
• Mémoire fiable, mémoires transactionnelles,
• Abstraction des méthodes dallocations
• Allocation et déallocation dynamique,
  déallocation implicite (ramasse miette).

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Sabstraire des mémoires Lexemple des
systèmes de fichiers

• Un disque dur un ensemble de secteurs de taille
  fixe (e.g. 512 octets)

X 4 octets
Magic Number
X 32 octets
Volume Name
X 32 octets
Fomater ID
Secteur Boot
X 32 octets
Fomat Date
SuperBloc (MBR)
X 4 octets
FAT Size
X 4 octets
FAT
First Dir Block
X 4 octets
CheckSum val

Unused space
Secteur utilisable

1110000110001011100011101010111011100
Un secteur utilisable peut être Un secteur
I-node Un secteur data
V1,2,3,4
Type i-node
V5,6,7,8
size

Direct 1

indirect
indirect 2
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Sabstraire des mémoires Lexemple des
systèmes de fichiers

• Un disque dur un ensemble de secteurs de taille
  fixe (e.g. 512 octets)

Files Data
Files Data
Files Data
Files Data
Files Data
Files Data
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Plan (prévisionnel) du cours

• Introduction au cours de système
• Partie I Système et mémoires
• 2. Gestionnaire de la mémoire persistante
  (système de fichiers).
• 3. Virtualisation de la mémoire de travail
  (allocateur/ dé allocateur).
• Abstraction de la mémoire de travail
  (gestionnaire de mémoire objet).
• Mémoire transactionnelle (un exemple de propriété
  non fonctionnel).
• Partie II Système et microprocesseur
• 6. Gestion du microprocesseur (Chargement,
  édition de lien, initialisation, exécution).
• 7. Abstraction du microprocesseur (Compilateur,
  Interpréteur, Machine Virtuelle).
• Mécanisme de partage de la ressource ?proc et
  dordonnancement des taches.
• Problèmes dordonnancement, ordonnancement temps
  réel et exclusion mutuelle.
• Partie III Architecture et sécurité des
  systèmes dexploitation
• Isolation par adressage/dynamique (MMU)
  Isolation par typage/Statique (JVM).
• Architecture des systèmes dexploitation.
• Partie IV Exploitation des systèmes Unix