Cours Architecture des Syst

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Cours Architecture des Systèmes Informatiques
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Plan mémoire et périphériques

• Aspects généraux, caractéristiques besoins
• La mémoire des ordinateurs vue matérielle
• Gestion de la mémoire, vision OS
• Périphériques
• Disque bas niveau
• Disque haut niveau

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Aspects de lutilisation de la mémoire

• On na pas besoin de toute la mémoire en même
  temps
• Code du programme la partie en cours
  dexécution
• Les données utilisation souvent localisée
• dans le temps et lespace variables locales
• dans le temps allocation/libération dynamique
• utilisation par à-coups, sur des intervalles de
  temps courts
• Utilisation irrégulière des ressources
• Loi des 90-10
• 10 des données représentent 90 des accès
• (10 du code utilise 90 de la CPU)

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Localité des références

• Concept de localité des références
• Sur un court laps de temps, le nombre dobjets
  utilisés est petit
• WS, Working Set Peter Denning, 1968
• Programme
• Les instructions sont le plus souvent exécutées
  en séquences
• Les boucles tendent à faire répéter de courtes
  séquences
• Données
• Variables locales, tables constituent des
  regroupements naturels
• Mais Évolution au fil des temps du WS
• Comment gérer cette évolution ?

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Mémoire les performances

• Linformatique a toujours besoin de mémoire plus
  rapide
• La mémoire traditionnelle est lente comparée au
  processeur
• La mémoire rapide est très chère
• Et il en faut beaucoup
• Mais localité des références
• Optimiser lutilisation de la mémoire ?
• Notion de hiérarchie mémoire
• Solution au dilemme coût / performances

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Hiérarchie de mémoire
Cache 10ns
RAM 50ns
Coût et Vitesse
Disque magnétique 10ms
Disque magnéto-optique 500ms Bande magnétique
minutes
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Gestion de cette hiérarchie

• En grande partie automatique
• Le compilateur décide, par une analyse statique
  du programme, quelles données vont être
  temporairement conservées dans des registres, et
  génère les instructions de transfert
• La CPU détermine dynamiquement, au cours de
  lexécution, quelles données de la mémoire
  centrale vont être placées dans le cache
• Le système dexploitation décide de transférer
  entre la mémoire centrale et le disque des
  portions de programmes ou de données

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Cache

• Un élément critique de la hiérarchie mémoire
• Taille réduite, comparée à celle de la mémoire
  centrale
• Vitesse daccès proche de celle du processeur,
  coût élevé
• Contient des copies de parties de la mémoire
  centrale
• Principe de fonctionnement
• Un accès à la MC entraîne le transfert dun bloc
  vers le cache (principe de localité)
• Les éléments du bloc sont accessibles de manière
  performante
• Du fait de la rapidité nécessaire, la gestion du
  cache est entièrement réalisée en matériel
  (invisible à lOS ou aux applications)

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Aspects de la gestion du cache

• Doù viennent les données ?
• Associer à chaque bloc du cache son adresse MC
• Politique de transfert des blocs
• Taille des blocs
• Quel bloc évacuer pour en placer un nouveau ?
• A quel moment réécrire en mémoire les données
  modifiées ?
• Taille et technologie du cache
• Petit, rapide et cher, ou grand, meilleur marché,
  et plus lent ?
• Un/deux caches dans la hiérarchie ?
• Séparer instructions et données ?

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Algorithme de gestion du cache

• Mappage direct
• Le mot dadresse xxxxYxxx se retrouve dans le
  bloc Y du cache
• Simple, rapide, efficace à mettre en œuvre
• Très inefficace quand deux blocs de MC se mappent
  au même endroit
• lourde pénalité en temps dexécution
• Mappage associatif
• On utilise une mémoire associative, une entrée
  par bloc de cache
• A chaque bloc est associée sa position en mémoire
• Recherche dun bloc à travers la mémoire
  associative
• Algorithmes de remplacement

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Note mémoire associative

• Accès par contenu
• On recherche une valeur dans la mémoire
• La mémoire fournit ladresse où se trouve la
  valeur
• La recherche seffectue simultanément sur tous
  les éléments de la mémoire
• Dispositif matériel de coût élevé, conçu
  spécifiquement pour chaque application
• Plus complexe
• Pas dutilisation en grande quantité

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Algorithmes de remplacement

• Cas du seul mappage associatif
• Moins récemment utilisé (LRU, least recently
  used)
• File (FIFO, first in, first out)
• Moins fréquemment utilisé (LFU, least frequently
  used)
• Aléatoire (Random)
• Réécriture des blocs modifiés
• Écriture immédiate (Write through)
• Conformité cache/MC, écritures multiples
  coûteuses
• Écriture différée (Write back)
• Incohérence possible cache/MC ex DMA disque

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Autres aspect de la gestion des caches

• Tailles relatives blocs, cache, MC
• Bloc 4 à 8 unités daccès de la CPU
• Cache 1/1000 de la taille MC
• Localisation du cache
• Sur la CPU (L1, level one)
• 80486 8 ko
• Pentium 16 ko
• Power PC Motorola 64 ko
• Cache de second niveau (L2, level two)
• Carte mère, à côté du processeur 512 à 1024 ko

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Les unités de gestion de la mémoire

• Ou MMU, Memory Management Units
• Résoudre un problème récurrent les trous de
  mémoire
• Comment rassembler de lespace libre ?
• Comment déplacer des blocs de mémoire utilisée
• Comment mettre à jour des adresses dans un
  programme ?
• Intermédiaire entre adresses logique et physique
• Adresse logique ce que voit et manipule le
  programme
• Adresse physique où est réellement conservée la
  donnée

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Que va offrir une MMU ?

• Outil matériel pour mieux gérer la mémoire
  physique dune machine
• Simplifier la gestion dun ensemble de programmes
• Simplifier la gestion de la mémoire au sein dun
  programme
• Offrir une protection entre programmes, et au
  sein dun programme
• Permettre un partage physique et logique de
  mémoire entre plusieurs programmes
• Simuler une mémoire physique plus grande

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Segmentation

• Lespace dadressage logique dun programme est
  partagé en segments contigus
• Transparent au programme
• Les segments sont de tailles différentes
  multiples de 2k octets
• Informations nécessaires pour chaque segment
• adresse logique de début du segment
• adresse physique effective du segment
• taille du segment
• informations diverses n programme, R/W,
  modifié, etc
• c.f. poly le Z8010, pp 58-59

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Pagination
Adresse logique
Numéro de page
Déplacement

• Une segmentation où tous les segments ont même
  longueur - le dispositif le plus fréquent.
• Taille typique 4 à 8 ko.

Traduction
Adresse physique
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Mémoire virtuelle

• Espace logique plus grand que lespace physique
• Pour lensemble des programmes
• Au sein de chaque programme
• Lespace logique est mappé sur un espace physique
  en mémoire secondaire le swap, portion de
  disque
• Les pages sont transférées entre la mémoire
  physique et le disque
• Géré par le système dexploitation
• Faute de page

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Problèmes

• Taille de la table des pages
• 4 Go adressables, pages de 4 ko gt 1M dentrées
• Coût de cette table
• table associative numéro logique/numéro
  physique
• matériel équivalent de 8 Mo de mémoire gt
  énorme
• solution mixte hardsoft
• tables à deux niveaux, table pour chaque
  programme
• cache rapide dans la CPU TLB, Translation
  Lookaside Buffer
• 890486 32 entrées, 98 de réussite
• Algorithmes de gestion
• Complexes LRU, FIFO, Not Recently Used
• Phénomène de thrashing compétition pour la MC

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La mémoire sous DOS

• Vision DOS traditionnelle
• 1 Mo divisée en 16 segments de 64 ko
• 10 segments de mémoire RAM
• 0 à 640 ko
• 1 segment ROM pour le BIOS
• 1 segment RAM vidéo (VRAM)
• segments libres
• compléments BIOS ou VRAM
• cartouches enfichables

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Types de mémoire

• Mémoire conventionnelle 640 premiers ko
• Mémoire haute de 640 à 1024 ko
• Mémoire étendue au delà de 1024 ko
• Extended Memory de 16 Mo (80286) à 4Go (80386)
• Expansions mémoire
• Expanded memory commutation de bancs
• Norme LIM/EMS Lotus/Intel/Microsoft EM
  Specification
• version 3.2 et 4.0

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Utilisation de la mémoire sous DOS

• Vision utilisateur allocation libération
• Allocation par la primitive 48h bx taille
  demandée 16 octets
• Libération par la primitive 49h es0 adresse
  du bloc à libérer
• Les blocs libres contigus sont rassemblés pour
  former un bloc plus gros
• Paramétrer la gestion de la mémoire
• Fonction 58h choisir first/best/last fit,
  high/low
• first fit le premier bloc trouvé de taille
  suffisante est alloué
• best fit le bloc de la taille minimale est
  alloué
• last fit comme first fit, en partant de la fin
  de la liste
• high/low dans quelle mémoire allouer

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Types dadressage

• E/S traditionnelles
• Mémoire déchange distincte de la mémoire
  centrale
• Instructions spéciales pour la réalisation des
  E/S
• Mécanisme de transfert avec la MC
• E/S mappées
• Mémoire déchange et mots de commande sont
  visibles dans lespace dadressage du processeur
• Les opérations dE/S se traduisent par des
  lectures et écritures en MC
• Perte dune portion de la MC

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Interface programmée

• La CPU réalise la plus grosse partie du travail
• Lancement dune commande
• paramètres spécifiques, données éventuelles
• Attente dun changement détat
• Lecture de létat (status) du périphérique
• Récupération des données, ou gestion de lerreur
• Poursuite par la CPU du programme courant
• Caractéristiques
• Simple logiciel, matériel, synchrone, inefficace

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E/S gérées par interruptions

• Lancement synchrone des opérations
• La CPU sadresse au module dE/S pour initialiser
  lopération
• Pendant lE/S, la CPU peut continuer les
  traitements en cours
• Le module dE/S assure la gestion des opérations
• Quand lE/S est achevée, il le signale à la CPU
  en provoquant une interruption
• La CPU reconnaît linterruption, et la traite à
  la fin de linstruction en cours
• Récupération des données

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E/S en accès direct mémoire

• Décharger encore plus la CPU
• Lancement synchrone des opérations
• Appel au module E/S
• spécification de lopération et des paramètres
• spécification dune adresse mémoire et dun
  nombre déléments
• La CPU travaille pendant les opérations dE/S
• Linterruption indique la fin du transfert et la
  disponibilité des données
• Le module dE/S utilise le bus pour lire/écrire
  en MC
• DMA direct memory access

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Interfaces externes

• Ports E/S série et parallèle
• Imprimantes, modems
• BUS E/S à grande vitesse
• SCSI, ESDI, IDE
• Disques,lecteurs CD-Rom, scanners
• Ethernet
• Réseau
• Bus série P1394
• Bus dinstrumentation HP-IB, IEEE-488, etc.

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Ports dE/S lents

• Port série
• Norme RS-232
• 1 fil émission, 1 fil réception, 1 masse, 1
  terre, 5 fils contrôle
• Norme RS-422 (proche RS-232)
• Norme MIDI Musical Instrument Digital Interface
• 1 fil émission, 1 fil réception, 1 masse
• Interfaces propriétaires souris, clavier
• Port parallèle
• Interface Centronics
• 8 fils données, 1 masse, 1 signal busy, 1
  signal strobe

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Norme RS-232C / V.24

• Spécifications mécaniques, électriques,
  fonctionnelles
• V.24 du CCITT Comité Consultatif International
  Télégraphique Téléphonique RS-232C de EIA
  Electronic Industries Association
• Circuit UART Universal Asynchronous Receiver
  Transmitter
• Octets indépendants
• Sérialisation
• 7/8 bits données
• bits start, stop
• 25 broches
• Débit 110, 300,1200 bauds

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Représentation des signaux

• Modulation numérique
• Modulation en amplitude
• Modulation en fréquence
• Modulation en phase

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Bus SCSI - Small Computer System Interface

• SCSI-1 Apple, 1984
• 8 bits de données
• Horloge à 5 MHz 5 MB/seconde
• 8 éléments dont la CPU gt 7 périphériques
• SCSI-2
• Standard actuel
• Largeur du bus de 16 ou 32 bits
• Horloge à 10 MHz
• Grande variété de périphériques

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Ethernet

• Bus à 10 ou 100 Mb/s, pour réseau local
• Câble coaxial ou paire torsadée
• Équipements dotés dun numéro unique sur 48 bits
• Message paquet de 128 à 1530 octets 0.1 à 1.5
  ms
• 1024 stations transducteur, 300 à 1000 m
• Pas de contrôle central les stations écoutent
  et réémettent si nécessaire
• collisions détectées par lémetteur
• réémission au bout dun temps aléatoire
• Interconnexions
• réémetteurs, filtres ou passerelles

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Ethernet - technologie

• Aspect électrique
• propagation des ondes électro-magnétiques
  200,000 km/s
• phénomènes décho aux extrémités
• Connexion des stations

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Ethernet - collisions
T1, T2 les stations S1 et S2 envoient un
message T3 S2 détecte une collision due à
lémission de S1, arrête démettre en T4 T5 S1
détecte la collision due à lémission de S2,
arrête démettre en T6 T7, T8 le médium
apparaît libre aux stations S1 et S2
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P1394 - Bus série haute performance

• Liaison série haute vitesse, faible coût
• Ordinateurs, Électronique générale
• 25 à 400 Mbps 3 à 50 MB
• Jusquà 63 unités physiques
• Avec des bridges, jusquà 1022 bus
  interconnectés
• Communication par 3 niveaux de protocoles
• Physique, liaison, transaction

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Disques magnétiques

• Aspects technologiques
• Support magnétique tournant sous une tête de
  lecture
• Disquette 3.5 pouces, capacité 800ko, 1.2, 1.44
  ou 2.88 Mo, 2 faces
• Disque dur de 80 Mo à 10 Go, 3.5, 5 ou 8
  pouces.
• 1 tête par face magnétisée, 1 ou plateaux
• la tête se déplace le long dun rayon
• la rotation du disque sous la tête détermine une
  piste
• 1 face ensemble de pistes concentriques
• cylindre ensemble de pistes setrouvant
  simultanément sous les têtes

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Pistes et secteurs

• Piste partagée en plusieurs secteurs
• Disquette DD 80 pistes/face, 9 secteurs de 512
  octets/piste 720 ko
• Secteur unité de lecture, 256 à 4096 octets
  utiles
• vue déroulée dune piste secteurs et
  gaps
• numérotation logique des secteurs ? ordre
  physique entrelacement
• ex 0 4 1 5 2 6 3 7

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Le travail du contrôleur disque

• Réaliser les opérations dentrées-sorties
• Lectures/écriture de secteurs
• Gérer des numéros de secteurs logiques, 0 à n-1
• pistes, têtes et secteurs physiques
• gestion des secteurs défectueux
• réalisé au formatage du disque
• remplacer les secteurs défectueux par des
  secteurs de réserve
• implique une zone critique du disque
• le disque est inutilisable si la zone critique
  est défectueuse

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Disque opérations de haut niveau

• Fichier
• Suite séquentielle doctets désignée par un nom
• Accès séquentiel, direct, indexé, etc
• Caractéristiques taille, date
  création/modification, droits
• Gérer un ensemble de fichiers file system
• Organisation à plat Macintosh HSFS version 1
• Organisation hiérarchiques Dossiers imbriqués
  DOS, UNIX
• Opérations
• Créer, déplacer, renommer, détruire des fichiers,
  modifier leurs attributs
• Lire, écrire

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Un exemple DOS 3.3

• Numérotation des secteurs sur 16 bits
• 32 bits en DOS 4.0
• Taille max 65536 512 octets, soit 32 Mo.
• Pas un problème pour les disquettes
• Les disques dur peuvent être divisés en
  partitions de 32 Mo.
• Organisation dune partition
• Secteurs réservés, tables dallocation,
  répertoire racine
• Données
• Secteur cachés

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Secteur 0 Boot
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Table dallocation des fichiers FAT

• 1 ou plusieurs exemplaires, secteurs 1 à n
• Entrées de 12 (avant DOS 3.0) ou 16 bits
• Chaque entrée est associée à un cluster
• Un cluster est lunité dallocation
• 1 ou 2 secteurs pour un floppy, 4 à 64 pour un
  disque dur
• Valeurs possibles des entrées
• 0000h cluster libre 0001h entrée invalide
• 0002h à FFEFh cluster utilisé, pointeur vers
  cluster suivant du fichier
• FFF0h à FFF6h réservé
• FFF7h le cluster contient un secteur endommagé
• FFF8h à FFFFh le cluster est le dernier du
  fichier

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Racine, données et secteurs cachés

• Racine un répertoire (taille indiquée dans
  sect. 0)
• Entrée de 32 octets nom du disque
• Entrées de 32 octets
• Données taille calculable
• Taille totale, moins S0, racine, FATs et Secteurs
  cachés
• Secteurs cachés
• Secteurs non inclus dans la zone données pour des
  raisons de formatage, limitations, etc
• Peuvent indiquer la présence de partitions
  supplémentaires

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Répertoire

• Structure
• Attributs 1 si

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Heure et Date, premier octet

• Heure
• Date
• Premier octet valeurs spéciales

E5h entrée correspondant à un fichier
effacé 00h entrée libre (plus dentrée utilisée
ensuite)
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Types de fichiers conventions

• DOS (suffixe unique, 3 car. max)
• .c .h fichiers source C
• .COM .EXE fichiers de commande, exécutable
• Unix, Mac un ou suffixes
• .shar .tar shell archive, tape archive
• .Z .gz .zip fichier comprimé par compress, gzip
  ou pkzip
• .uu .hqx fichier encodé par uuencode ou binhex
• ex toto.tar.gz.hqx
• .gif .jpeg .jpg .tiff .xmb fichiers image
• .ps .tex .dvi .man postscript, TeX, DVI, man

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Fichiers opérations du DOS

• Création de fichier
• Ouverture de fichier
• Fermeture de fichier
• Note fermer les fichiers dès que possible
• Les fichiers ouverts peuvent être endommagés en
  cas de coupure de courant, reset machine, etc.
• Lecture, écriture, positionnement dans un fichier
• Recherche d'un fichier conforme à un schéma
• Destruction, renommage d'un fichier

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Fichiers autres opérations du DOS

• Lire/changer les attributs
• Lire/modifier date et heure de modification
• Création de fichier temporaire
• Duplication dun file handle
• Gestion des répertoires
• Création, destruction, déplacement
• Choix du répertoire par défaut