1. Roles du système d'exploitation

Le système d'exploitation fait l'interface entre la machine, en particulier avec l'unité centrale (CPU).

Il donne des moyens à l'utilisateur de :

La partie principale du système d'exploitation est le noyau : il s'agit de la couche logiciel qui implante l'interface entre les applications (programmes "haut niveau") et le matériel.

Les applications accèdent aux matériel à travers le noyau en utilisant des appels systèmes. Voici quelques exemples d'appels systèmes :

Les appels systèmes sont disponibles à travers des bibliothèques pour les langages de programmation (libc, etc.) ou en passant par le l'invite de commande.

1.1. Les acteurs

Les principaux systèmes d'exploitation actuels sont

Vocabulaire

Windows est un système d'exploitation avec un environnement de bureau.

MacOSX est un système d'exploitation avec un environnement de bureau.

Linux est un noyau.

GNU est un système d'exploitation (avec Linux comme noyau)

Ubuntu est une distribution (avec GNU comme système d'exploitation)

Gnome, KDE, XFCE, LXDE, ... sont des environnements de bureau

Norme POSIX

POSIX (Portable Operating System Interface) est une norme qui décrit les fonctionnalités de systèmes d'exploitation. En théorie les systèmes d'exploitation "compatibles POSIX" offrent tous une interface similaire avec l'ordinateur.

Cette interface décrit par exemple

Les systèmes POSIX sont essentiellement

Une partie de la compatibilité POSIX est accessible sous Windows en installant une couche logicielle supplémentaire (Cygwin par exemple)

La compatibilité POSIX ne parle pas de la couche graphique, mais seulement de la partie système d'exploitation.

1.2. Intermède : invite de commandes

L'invite de commandes (aussi appelée "shell") permet de faire des appels systèmes sans passer par un langage de programmation "bas niveau". La plupart des appels systèmes sont appelés à travers des commandes. Ces commandes sont elle mêmes des programmes écrits dans un langage de programmation (typiquement le langage C).

Le shell par défaut sous la plupart des distributions Linux s'appelle "bash", mais il y en a plusieurs autres : "zsh", "sh", "tcsh", "ksh", "csh". Sous Windows, le shell s'appelle "powershell".

Savoir utiliser l'invite de commande est une étape clé : l'apprentissage est dur au début, mais les possibilités offertes sont à la hauteur de l'investissement. Là où la souris et les menus gesticulent pour faire passer de l'information, le shell offre un véritable langage pour communiquer avec le système.

Chaque processus (le shell y compris) a un répertoire de travail, aussi appelé répertoire courant. La commande ls par exemple permet de récupérer la liste les fichiers / dossiers dans le répertoire courant du shell et de l'afficher.

La commande cd permet de changer le répertoire courant du shell. (Comme cette commande n'agit sur rien à part le répertoire courant du shell, il s'agit en fait d'une commande interne au shell qui ne correspond pas à un programme externe.)

La plupart des commandes accessibles depuis le shell sont paramétrables en les invoquant avec des options. Par exemple :

De nombreuses commandes ont une option -h ou --help pour afficher un petit message d'aide. Si ce n'est pas le cas, vous pouvez utiliser la commande man CMD pour obtenir le manuel d'utilisation de la commande CMD. Apprendre à lire ces pages de manuel est une partie importante dans l'apprentissage des systèmes Unix.

Pour les commandes simples, l'interaction se fait :

L'interaction peut aussi se faire :

L'invite de commande offre un moyen très simple pour remplacer les lectures sur stdin par des lectures dans un fichier, et pour remplacer les écriture sur stdout par des écritures dans un fichier. 

  $ CMD   >   NOM_FICHIER
  $ CMD   >>   NOM_FICHIER
  $ CMD   <   NOM_FICHIER

Error: no such file "%s -- %s" Error: no such file "" Error: no such file "shell"

De nombreuses commandes peuvent agir aussi bien sur des fichiers que sur stdin : par exemple, si on ne donne aucun nom de fichier à grep, alors la commande utilise automatiquement stdin.

Le shell offre également un moyen de "faire suivre" un flux de données : les informations qui sortent sur stdout d'une commande peuvent être envoyées directement comme information d'entrée d'une autre commande : 

  $ CMD1  |  CMD2  |  CMD3

Error: no such file "%s -- %s" Error: no such file "" Error: no such file "shell" Les informations données par CMD1 (stdout) sont envoyées à la commande CMD2, et les informations obtenues sont alors envoyées à la commande CMD3.

Ceci permet de combiner plusieurs commandes simples pour effectuer des taches complexes : on peut ainsi utiliser la commande find (qui recherche des fichiers par critères sur les méta informations : nom, taille, etc.), la commande grep (qui recherche les occurrences d'une chaine dans un fichier) avec la commande rm pour "supprimer les fichiers html dont la taille est supérieures à 1Kio et qui contiennent la chaine info202."

1.3. Processus et ordonnancement

Un programme est une suite d'instruction dans l'ISA du processeur. Un programme est (en général) stocké dans une mémoire secondaire (disque, clé, réseau, ...)

Pour pouvoir l'exécuter, il faut :

1. le charger en mémoire et initialiser les registres nécessaires (en particulier le PC : program counter) 2. interpréter les instructions une par une (en particulier, incrémenter le PC) 3. gérer les resources (mémoire, périphériques, fichiers utilisés) 4. libérer la mémoire lorsque le programme est terminé.

On parle de processus pour le programme en execution (dans la RAM) avec toutes les informations annexes (registres, etc.)

Historiquement, le système d'exploitation executait un unique processus jusqu'au bout avant de passer au suivant. Cela posait des problèmes lorsque le processus en question plantait, ou ne terminait pas.

Les systèmes d'exploitation "récents" font de la multiprogrammation : plusieurs processus sont exécutés "en même temp". Ceci est possible, même lorsque l'ordinateur ne possède qu'un seul CPU. Mon ordinateur a actuellement 215 processus actifs !

Pour cela, chacun des processus ne s'exécute que pendant une durée très courte (quelques centièmes de secondes), puis les données nécessaires (registres, CP, etc.) sont sauvegardés dans la RAM, et un nouveau processus prend la place du premier (il faut pour cela récupérer les donnés nécessaire du nouveau processus...)

Le choix de l'ordre dans lequel exécuter les processus est important et dépend beaucoup du système d'exploitation. On parle d'algorithme d'ordonnancement. La partie du noyau qui gère ceci s'appelle l'ordonnanceur et doit se débrouiller pour :

Le choix de priorités n'est pas facile, et une mauvaise conception amène des problèmes. On parle de famine lorsque des processus n'ont jamais accès au processeur.

Les systèmes d'exploitations utilisent un mélange de

Il est important de noter qu'un processus actif (dans la mémoire) peut être en attente d'un évènement externe. L'ordonnanceur ne donne jamais le processeur à ce type de processus. C'est par exemple le cas des processus interactifs : l'appui sur une touche (et sa gestion bas niveau) est très lent par rapport au CPU. Un traitement de texte est donc bloqué la plupart du temps et n'occupe presque pas le processeur.

Remarque : chaque processus est identifié par un numéro unique appelé PID ("Process Identification"). Dans le monde Unix, les processus sont organisés en arbre : chaque processus est le "père" des processus qu'il a créé. (cf commandes "ps" et "pstree")

Sous Windows, tous les processus sont ou même niveau...