Ordinateur, programmes et OS

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Nous allons présenter ici les principes d'un OS de bureau (W11, Linux Ubuntu, MacOS) actuel.

Ordinateur

Le but d'un ordinateur est de permettre à des utilisateurs d'exécuter des applications :

Définition

Un ordinateur est composé de multiples composants physiques qui interagissent entre eux via une carte mère :

le processeur qui exécute des instructions sur des variables appelés registre pouvant contenir 64bit d'information (il existe des registres génériques que l'on peut utiliser de façon interchangeable pour de nombreuses instructions et des registres spécialisés dans une tâche bien précise).
de la mémoire que l'on sépare en 2 grande catégories :
- la mémoire vive : un espace de stockage rapide, mais volatile (se vide lorsque l'on éteint l'ordinateur). Peut-être vu comme un grand tableau $M$ ou chaque case contient 1Byte (un Byte est un entier entre 0 et 255 et est stocké sur 8 bits). Le processeur peut lire 8 Bytes consécutifs de la mémoire et les placer dans un de ses registres ou écrire un de ses registre dans 8 cases consécutives de la mémoire (en fait, ceci n'est possible que pour les adresses multiples de 8 : $M[8\cdot i:8\cdot (i +1)]$ pour tout $i$ pour des raisons d'efficacité). Comme on peut accéder à tout élément de la mémoire sans contrainte, cette mémoire est appelée RAM (pour Random Access Memory)
- la mémoire de masse ou de stockage, non volatile. On ne peut pas toujours accéder à tout byte du tableau de stockage indépendamment, il faut utiliser un protocole. Ces devices sont plus lent que la RAM mais sont non volatiles. Par exemple :
  - disques durs : plus lent que la mémoire mais non volatile
  - USB : encore plus lent qu'un disque dur mais déplaçable facilement
des périphériques, appelés device, qui composent tout les autres composants :
- carte réseau : encore plus lent que l'USB mais accessible de partout
- interfaces :
  - dont on peut uniquement lire des données (périphériques d'entrée) : clavier/souris
  - dont on peut uniquement envoyer des données (périphériques de sortie) : écran/imprimante
  - entrée/sortie : volant avec retour de force

Unités et ordres de grandeur en informatique

Le schéma (très) simplifié suivant décrit un ordinateur :

un ordinateur

Ce schéma s'applique à une vaste gamme d'ordinateur : ordinateur fixe ou portable, mobile, tablette, etc. Ce qui va différentier ce que l'on peut faire avec est certes lié aux périphériques installées et aux capacités du processeur, mais aussi et surtout du système d'exploitation utilisé pour exécuter des applications.

Programmes

Un programme est une suite d'instructions exécutée l'une après l'autre par le processeur. Ce processus (dont nous verrons (bien) plus tard le fonctionnement détaillé nommé fetch-decode-execute) est contraint par le schéma de l'ordinateur :

le seul endroit où peut être stocké un programme est en mémoire : chaque instruction du processeur doit être associé à un nombre binaire.
le processeur doit connaître la prochaine instruction qu'il doit exécuter : un de ses registres spécialisé nommé pointeur d'instruction (d’abréviation IP) contiendra toujours l'adresse en mémoire de la prochaine instruction à exécuter.

Définition

Exécuter un programme sur un ordinateur de fait en suivant les étapes suivantes :

initialisation :
1. charger en mémoire la suite d'instructions à effectuer
2. placer dans le registre IP du processeur l'adresse en mémoire de la première instruction à executer
boucle d'exécution du programme :
1. étape fetch :
  1. lire à l'adresse mémoire de IP la prochaine instruction à exécuter (pour les processeurs intel x86, cette instruction peut prendre entre 1 et 15 byte en mémoire), qui devient l'instruction courante
  2. incrémente IP de la taille de l'instruction courante (la valeur de IP est l'adresse par défaut de l'instruction suivant l'instruction courante)
2. étape decode : prépare l'instruction courante à être exécuté en chargeant ses paramètres dans des registres si nécessaire
3. étape execute : le processeur exécute l'instruction courante
si l'instruction courante n'était pas l'instruction de fin de programme, on retourne à l'étape 2. pour effectuer une nouvelle boucle d'exécution du programme

La définition ci-dessus amène quelques commentaires.

Tout d'abord les registres du processeur sont les seuls moyens de communication du processeurs et servent à beaucoup de choses :

Comme IP doit contenir l'adresse en mémoire de la prochaine instruction à exécuter, sa taille limite la taille maximale de la mémoire qu'un ordinateur peut utiliser.

Pour une taille de registre de 64b, quelle est la taille mémoire maximale en terabyte ($10^{12}$ byte)

corrigé

Une case mémoire contient 1B et un nombre de 64b peut être associé en notation binaire à $2^64$ entiers différents. La taille mémoire maximales est donc $2^{64}$Byte, ce qui correspond à $10^{64/\log_2(10)} \simeq 10^{19}$ Byte, donc plus de $10^7$ terabyte.

Il y a de la marge pour nos ordinateurs actuels...

De plus, un programme doit être stocké en mémoire de l'ordinateur pour être exécuté : à chaque instruction est associée une suite finie de 0 et de 1 stockée en mémoire. Par exemple considérons l'instruction valide pour un processeur x86 intel consistant à placer la constante 42 dans les 64bits du registre générique RAX. Elle s'écrit en assembleur (le language des processeurs) ainsi :

MOV RAX, 42

Et est codée en langage machine (l'encodage dans la mémoire) sur 10 bytes (on a utilisé ici la notation décimale, un byte correspondant aux entiers allant de 0 255) : $72\;\;184\;\;42\;\;0\;\;0\;\;0\;\;0\;\;0\;\;0\;\;0$ de valeurs binaires :

01001000  10111000  101010  00000000  00000000  00000000  00000000  00000000  00000000  00000000

$72\;\;184$ correspond au numéro de l'instruction : "place un entier sur 64b dans le registre RAX"
$42\;\;0\;\;0\;\;0\;\;0\;\;0\;\;0\;\;0$ correspond à l'entier $0\;\;0\;\;0\;\;0\;\;0\;\;0\;\;0\;\;42 = 42$ en notation petit-boutisme (on écrit les bytes d'un nombre de droite à gauche dans les processeurs intel)

Si on reprend le cycle d'exécution de cette instruction :

fetch :
1. le registre IP est placé au début de l'instruction. Son code est $72\;\;184\;\;42\;\;0\;\;0\;\;0\;\;0\;\;0\;\;0\;\;0$ qui correspond à l'instruction "place 42 dans le registre RAX qui devient l'instruction courante
2. le registre IP est incrémenté de 10
decode : l'entier 42 est placé dans un registre tampon du processeur utilisé pour stocker les paramètres
exécution : la valeur du registre tampon est placé dans le registre RAX

Effectuez le cycle d'exécution pour l'instruction ADD RBX, RAX de code $72\;\;137\;\;195$ qui ajoute le contenu de RAX au registre RBX

corrigé

fetch :
1. le registre IP est placé au début de l'instruction. Son code est $72\;\;137\;\;195$ qui correspond à l'instruction "ajoute RAX à RBX qui devient l'instruction courante
2. le registre IP est incrémenté de $3$
decode : rien à faire
exécution : la valeur du registre RAX est ajoutée au registre RBX

L'assembleur est très proche du langage machine. Il y a une transcription directe entre une instruction en langage assembleur et son code en langage machine. Par exemple notre instruction ADD RBX, RAX qui correspond au code machine $72\;\;137\;\;195$ se transcrit ainsi :

$72$ est appelé opcode est détermine la taille des registres que l'on va utiliser. Ici des registres de taille 64 bit (RAX signifie en effet les 64 bits du registre A. Dans certains cas, on pourra utiliser qu'une partie de celui-ci : les 32 premiers bit en écrivant EAX, les 16 premiers en utilisant AX, ou encore les 8 premiers en utilisant AL.)
$137$ est l'instruction proprement dite et correspond au fait d'ajouter la valeur d'un registre dans un autre
$195$ qui vaut $11000011$ en binaire se décompose en :
- $11$ qui correspond au fait que l'on veut manipuler 2 registres
- $000$ qui correspond au registre A (ici RAX)
- $011$ qui correspond au registre B (ici RBX)

Comment ajouter 42 au registre RAX en assembleur ?

corrigé

On peut exécuter le programme :

MOV RBX, 3
ADD RAX, RBX

Enfin, toutes ces instructions dépendant du processeur utilisé par l'ordinateur ! Nous avons utilisé ici des jeux d'instructions pour des processeurs de type x64 (les PC). Ces instructions seraient tout à fait différente pour un programme s'exécutant sur un mac par exemple.

À retenir

Un programme dépend du processeur utilisé car les instructions de chaque type de processeur (PC, MAC, mobile) va être différente.

Mais c'est encore pire que ça. Lorsqu'un processeur veut accéder à un device comme le disque dur il faudra qu'il parle son langage et ce langage va être différent selon le type de device (on ne parle pas à un écran comme on parle à une clé USB) et même selon la marque du device (deux écrans de marque différentes vont avoir des langages différents) : si l'on change de clavier il faut possiblement changer son programme !

À retenir

Un programme dépend non seulement du processeur utilisé mais également des différents devices de l'ordinateur sur lequel il est exécuté.

S'il n'existe (en gros) que deux types de processeurs différents (x86 et ARM), la multitude de type de périphériques fait qu'il n'est pas raisonnable d'avoir à modifier son programme à chaque fois que l'on change une partie de son ordinateur. Le lien entre la partie dépendant uniquement du processeur et les périphériques va être géré par le système d'exploitation.

Système d'exploitation

Le but premier d'un système d'exploitation est de faire le lien entre la partie logicielle (software) d'un ordinateur (les programmes qui dépendent du processeur) et sa partie matérielle (hardware) (les différents périphériques branchés sur l'ordinateur) :

Drivers

Lorsqu'un logiciel veut avoir accès à un périphérique (afficher une chaîne de caractère à l'écran, lire un fichier sur le disque dur, accéder au clavier, etc) il passe par l'intermédiaire du système d'exploitation via un appel système qui fait l'opération pour lui. Pour que ceci fonctionne il faut que le système connaisse le fonctionnement du matériel, il faut donc installer des programmes spécifiques à son matériel pour le système d'exploitation :

Définition

Chaque matériel vient avec un programme nommé driver (pilote en Français) devant être utilisé par le système d'exploitation pour y acceder.

Un programme demande l'accès au matériel via un appel système unique pour une catégorie de périphérique donné.

Un programme n'est maintenant plus dépendant du matériel de chaque ordinateur mais reste dépendant du système d'exploitation car les appels systèmes sont différents selon le système d'exploitation utilisé. Mais comme il y a moins de système d'exploitations que de matériel on y gagne en simplicité.

Couches système

Simplifier en rajoutant un intermédiaire est à la base de tout développement informatique :

              compliqué
A --------------------------------> B
   simple                  simple
A --------> Intermédiaire --------> B

Ce principe universel est une instanciation de la deuxième partie du discours de la méthode : il faut diviser chaque difficulté en autant de parties facile à résoudre séparément. D'un point de vue ingénierie, ceci permet en plus de clairement les responsabilités de chaque couche, une maintenance plus aisée et porte un nom c'est le Théorème Fondamental de l’Ingénierie Logicielle :

Théorème

Le Théorème Fondamental de l’Ingénierie Logicielle stipule que l'on peut régler tous les problèmes en ajoutant une couche d'indirection.

On retrouvera ce fonctionnement tout au long de notre découverte du fonctionnement d'un système d'exploitation.

Programmes

Si faire l'interface entre le logiciel et le matériel est le but premier d'un système d'exploitation, son second but est de gérer les programmes entre eux : un ordinateur va toujours avoir plusieurs programmes en fonctionnement en même temps.

À retenir

Un système d'exploitation permet l'exécution de programmes :

de façon concurrente (on peut écrire dans un gdoc tout en écoutant de la musique)
de façon sécurisée : le gdoc ne peut accéder aux variables de l'application jouant de la musique

Il n'y aura toujours qu'un seul programme actif à chaque instant, mais comme on en change souvent, on a l'impression qu'ils s'exécutent en même temps.

Ne confondez par parallèle et concurrent :

concurrent : le début d'un programme est entre la début et la fin de l'autre
parallèle : en même temps. Ceci est possible si on a plusieurs cœurs ou plusieurs processeurs

Parallèle vs concurrent :

Enfin, le système d'exploitation doit permettre aux programmes de communiquer entre eux via un protocole commun :

os-programme

Un programme est intimement lié au système d'exploitation qui l'exécute.

Définition

On fait la distinction entre plusieurs types de programmes :

ceux lancés par l'utilisateur via une interface graphique ou le terminal qu'on appelle application
les programmes en cours d'exécution que l'on appel processus (une application peut lancer plusieurs processus)

Une application est à la base un processus. De plus rien n'empêche un processus de lancer lui-même d'autres processus !

Enfin, lorsque un processus est en cours d'exécution, le noyau lui donne l'impression qu'il est seul au monde : pour lui il est le seul processus en cours de fonctionnement sur l'ordinateur.

Noyau

L'architecture d'un ordinateur et les systèmes d'exploitations ont co-évolué. Les besoins des uns modifiant l'architecture des autres et réciproquement. En suivant le TFIL ces diverses responsabilités sont séparées en 3 couches :

Définition

Un système d'exploitation est constitué de 3 couches :

le noyau qui est le cœur du système d'exploitation et est responsable de la gestion des appels systèmes et des interactions entre processus
des interfaces logicielles qui permettent d'accéder aux devices (comme accéder à une clé usb)
des démons qui gèrent l'environnement (le fait de réagir à l'insertion d'une clé usb dans l'ordinateur par exemple)

User et kernel mode

Seul le noyau a accès au matériel et a un contrôle total de la machine.

Définition

On distingue deux états d'une machine :

le kernel mode : le noyau travail, il a accès à tout l'ordinateur
le user mode : un process travaille, il n'a accès qu'à une portion de la mémoire et doit demander l'autorisation au noyau via des appels systèmes pour accéder aux différents périphériques.

User et Kernel mode sous windows 11

La machine doit tourner le plus souvent possible en user mode car toute mauvaise action en kernel mode peut potentiellement être désastreux (plantage de la machine, effacement de données, etc).

La distinction entre user et kernel mode se fait directement au démarrage de la machine :

boot de l'ordinateur en kernel mode
exécution d'un chargeur d'amorçage (bootloader)
charge le noyau
1. vérification du matériel
2. vérification des sous-systèmes : réseau, ...
passage en user mode puis charge les démons et les interfaces
l"os est opérationnel

À partir de l'étape 4, l'ordinateur est en user mode. Il ne passe en kernel mode que :

via un appel système d'un processus
lorsque l'on change de processus actif

À retenir

La partie noyau du système d'exploitation ne fonctionne pas tout le temps, elle ne s'active que lors d'un appel système ou lors du changement de processus actif.

Le but du noyau c'est d'être petit et de ne presque jamais être en fonctionnement.