Systèmes d'exploitation des ordinateurs

1. C'est quoi un ordinateur

• Système de traitement d'information programmable
• Fonctionnement:
  • Lit séquentiellement des instructions qui lui font exécuter des opérations logiques et arithmétiques
  • Ensemble d'instructions : un programme

2. L'architecture de von Neumann

• Lecture: https://interstices.info/le-modele-darchitecture-de-von-neumann/

3. La mémoire

• Il existe plusieurs types de mémoire dans un ordinateur

  

  • Volatile :
    registres processeurs, la mémoire cache, la mémoire vive (RAM)

  

  • Persistante ou mémoire de masse :
    disques dur, SSD, clés USB, etc.

• On pourrait la représenter comme une commode où les tiroirs :

  

  • contiennent des données (des 0/1)
  • sont numérotés (leur adresse)

Source images: wikipédia

4. Le microprocesseur

• CPU (Central Process Unit) est un composant électronique contenant des millions de transistors
• Il est composé (pour simplifier) :
  • D'une horloge : le métronome qui donne le rythme
  • De l'unité de contrôle : le chef d'orchestre
  • De l'unité arithmétique et logique : pour faire les calculs
  • De registres : mémoires spéciales
    • Accumulateur (AC) : pour stocker les résultats de l'UAL
    • Program Counter (PC) : l'adresse de la prochaine instruction à exécuter
    • Current Instruction Register : l'instruction en cours d'exécution
    • Etc.

5. Simulation de fonctionnement

• https://www.peterhigginson.co.uk/AQA/

MOV R0,#10
MOV R1,#20
ADD R2,R1,R0
OUT R2,4
HALT

6. Les interruptions

• Mécanisme permettant d'interrompre le processeur
  • Utilisé par les périphériques pour prévenir que l'action est terminée (une lecture sur disque par exemple)
  • Utilisé pour annoncer des erreurs de matériel
  • Utilisé par les systèmes pour « partager » le processeur entre plusieurs tâches.

7. Langage de programmation

• Langage machine & assembleur :
  • Assembleur : c'est une version lisible du langage de la machine
  • Ne contient que les instructions du processeur
  • Très bas niveau
• Les langages haut-niveau
  • Plus proche de langue naturelle
  • Plus proche de la démarche de résolution de problème que du fonctionnement de la machine
  • C'est donc beaucoup plus facile de résoudre des problèmes complexes avec ce type de langage
  • Il existe plusieurs centaines de langages haut niveau !
• Comment passer d'un langage haut niveau vers le langage machine ?

8. La compilation

• Code source
  • Texte écrit dans un langage de haut niveau
  • On dit aussi « programme »
• Compilateur
  • Programme qui transforme un code source en code objet (i.e. en langage machine)
• Les étapes de compilation
  • Analyse lexicale : découper le texte en une suite de « mots » (i.e. reconnaître les mots)
  • Analyse syntaxique : Vérifie que la liste de mots est grammaticalement correcte vis à vis du langage de programmation (i.e reconnaître les phrases bien formées)
  • Analyse sémantique : vérification des types, des portées, construction de la table des symboles, etc.

9. Interprétation

• Interpréteur
  • Programme qui analyse un code écrit dans un langage de haut niveau et l'exécute
  • C'est quasiment pareil que la compilation sauf que la génération d'un code machine est replacé par l'exécution du code
• Langages compilés : C, C++, Java
• Langages interprétés : Pyhton, JavaScript
• Les interpréteurs sont aussi utilisés par les langages de commande
  • Des langages utiliser pour dialoguer avec l'ordinateur

10. Les composants d'un PC

11. Les microprocesseurs PC

• Ils sont caractérisés :
  • Par leur fréquence d'horloge : 1Ghz = 1 milliard de cycles par seconde
  • Leur nombre de coeurs : aujourd'hui il y a souvent 4 ou plus de processeurs dans une seule puce
  • Leur mémoire cache : c'est une mémoire interne au processeur très rapide. Plus il en a meilleur c'est : au moins 10MB (i.e. une capacité de stockage de 10 * 8 millions de 0 ou de 1).
  • Leur architecture/jeu d'instruction : aujourd'hui x64 sur PC (ARM sur smartphone)
  • Leur marque et modèle
• Deux marques sur le PC :
  • Intel : le principal constructeur
    • Les gammes : Atom, Celeron, Pentium, Core (i3, i5, i7, i9), Xeon (serveurs)
  • AMD
    • Les gammes : Athlon, Ryzen, Epyc (serveurs)
    • Fabrique aussi des processeurs graphique au de gamme

12. La mémoire vive (RAM)

• Mémoire de travail à accès direct et rapide
• RAM = Random Access Memory
• Caractéristiques :
  • Capacité : 8Go et 32Go
  • Type d'aujourd'hui : DDR-SDRAM (DDR4 et bientôt DDR5)
  • 2 format de barrettes:
    • DIMM (pc classiques)
    • SO-DIMM (portables)
    • On peut connecter plusieurs barrettes sur une carte mère (entre 2 et 8)
  • La latence : CAS (au alentour de 10ns)
  • La fréquence de fonctionnement : 200Mhz à 400MHz
  • Le débit (fonction de la fréquence de la mémoire et de son type) : 1600 à 3200 MT/s (nb transferts/seconde),
• Source des images : Wikipedia
  • Barrette DDR format DIMM
  • Barrette DDR format SO-DIMM

13. Les mémoires de masse

14. Exercice

• Lister l'ensemble des caractéristiques de votre ordinateur :
  • Processeur : marque, modèle, fréquence, nb de coeurs, taille du cache
  • Quantité de RAM, nombre de barrettes, type, fréquence ou taux de transfert
  • Mémoire de masse : SSD ou/et disque dur, taille, marque, modèle
• Constituer sur un site de matériel informatique votre PC de bureau pour moins de 1000 euros à partir de pièce détachées

15. Les logiciels de base sur un PC

• Le BIOS (Basic Input Output System)
  • Ensemble de programmes permettant d'effectuer des opérations de base (initialisations) à l'allumage de l'ordinateur
  • Stocker dans une mémoire flash sur la carte mère du PC
  • Permet ensuite l'amorçage du Système d'Exploitation
• Le système d'exploitation (Operating System, OS)

16. Système d'exploitation

• Définition :
  • C'est ensemble de programmes qui dirige l'utilisation des ressources d'un ordinateur par des logiciels applicatifs
  • Abréviation : OS (Operating System)
• Objectifs :
  • Faciliter la programmation et l'utilisation de la machine en fournissant des services permettant d'abstraire le matériel
  • Gérer les ressources matérielles

17. Les Systèmes d'exploitation

• Quelques OS actuels :
  • Windows : Microsoft, Propriétaire
  • MacOS : Apple, mélange de Propriétaire et Libre
  • GNU/Linux : Libre (GNU GPL)
  • Pour téléphones
    • IOS : Apple, Propriétaire
    • Android : Google , Libre (Apache v2 et GNU GPL v2)
• On distingue souvent deux familles :
  • Les UNIX : MacOS, GNU/Linux, etc.
  • Les Windows

18. Système informatique

• Source https://fr.wikipedia.org/wiki/Syst%C3%A8me_d%27exploitation

19. Fonctionnalités

• Gestion des périphériques (ou des entrées/sorties)
  • Abstraire la communication vers les périphériques (écran, claviers, webcam, imprimante, réseau) via des pilotes
• Gestion des données
  • Fournir une vue d'accès aux données sous forme d'un système de fichiers
  • Permettre de contrôler l'accès aux fichiers
• Gestion des ressources
  • Gestion et partage du CPU via une stratégie d'ordonnancement (multiplexage dans le temps)
  • Gestion et partage de la mémoire vive (multiplexage dans l'espace)

20. Fonctionnalités (suite)

• Gestion de l'exécution des applications (processus)
  • Affecter et partager les ressources entre différentes applications qui s'exécutent
  • Gérer le cycle de vie des application (démarrage, fin, pause, etc.)
• Gestion des utilisateurs
• Fournir une interface de commande et de programmation
  • Permettre à l'utilisateur de contrôler le système via une interface graphique ou en ligne de commande
  • Faciliter la tâche du programmeur en offrant une API (interface de programmation abstraire)

21. Utilisations

• L'interaction avec l'OS se fait via :
  • Son interface de programmation
    • L'ensemble des appel systèmes (fonctions) que le programmeur peut utiliser
    • c.f. POSIX la norme d'interface de programmation des systèmes UNIX
• L'interpréteur de commande (shell)
  • Ne fait pas partie de l'OS mais permet à l'utilisateur de dialoguer avec l'OS (faire des appel systèmes) en mode “texte”
• L'interface graphique
  • Idem que l'interpréteur de commande mais plus intuitif car en mode graphique (souris)

22. Exemples d'utilisation d'interfaces

• Avec l'interpréteur de commandes

  cp chose.txt truc.txt
  

• En langage C

  
  ​#include <stdio.h>
  
  main() {
    FILE *fp1, *fp2;
    char ch;
  
    // ouvrir le fichier en lecture
    fp1 = fopen("file1.txt", "r");
  
    // ouvrir le fichier en écriture
    fp2 = fopen("file2.txt", "w");
  
    // Lire le contenu du fichier
    while((ch = getc(fp1)) != EOF)
      putc(ch, fp2);
  
    fclose(fp1);
    fclose(fp2)
    getch();
  
  }
  

• Avec l'interface graphique

23. Objectifs et contenu du cours

• Manipuler un OS en ligne de commande
  • Cours sur les commandes Unix et shell Bash
• Appréhender quelques mécanismes de base des OS
  • La notion de processus
    • Mécanismes d'exécution : multiprogrammation, ordonnancement
  • Les problèmes de concurrence d'accès et synchronisation
    • L'exclusion mutuelle
    • La programmation multithread