Structure des Systèmes Informatiques

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1 Structure des Systèmes Informatiques
Chapitre 3 Beaucoup de choses dans ce chap. du manuel sont faciles à lire et ne je les discuterai pas en classe. Nous reviendrons sur plusieurs de ces concepts. Section 3.8 sera discutée dans les sessions exercices.

2 Concepts importants du Chapitre 3
Responsabilités et services d’un SE Le noyau Appels du système (system calls) Communication entre processus Messagerie et mémoire partagée Structure à couches Machines virtuelles Ch.3

3 Gestion de processus et UCT
Un processus=tâche est un programme en exécution il a besoin de ressources pour exécuter (UCT, mémoire, unités E/S...) Le SE est responsable pour: allocation de ressources aux processus création, terminaison des processus suspension, reprise des processus synchronisation, communication entre processus Le SE intervient pour chacun de ces besoins Ch.3

4 Gestion de mémoire vive (RAM)
Le SE est responsable pour: savoir quels processus utilisent quelles parties de la mémoire allouer la mémoire quand elle est demandée si elle est disponible libérer la mémoire quand le processus se termine Parfois c’est le système d’exécution des langages de programmation qui gère la mémoire en détail (Ex.: Java) Ch.3

5 Services primaires des Systèmes d’exploitation
Exécution de programmes: chargement, exécution (load, run) Opérations E/S Manipulation fichiers Communication et synchronisation entre processus Détection et traitement d’erreurs Ch.3

6 Autres services importants
Protection de ressources Comptabilité, p.ex. pour charger les usagers payants Ch.3

7 Noyau (kernel) et appels de système
Ch.3

8 Le noyau (kernel) du SE La partie résidente (toujours en RAM) du SE est appelée Kernel = noyau Les autres parties sont amenées en RAM au besoin Kernel contient les fonctionnalités critiques du SE: elles doivent toujours être prêtes à l ’utilisation traitement d’interruptions gestion de UCT gestion mémoire vive communication entre processus etc., nous verrons À part ça, quoi exactement mettre dans le kernel est une question pour les concepteurs des SE Presque toutes les fonctionnalités discutées dans ce cours sont dans le kernel Ch.3

9 Appels du système L’interface entre un processus et le SE
directement disponibles dans un shell UNIX ou dans un command prompt MS-Windows aussi dans les langages de programmation `bas niveau` (assembleur) ils sont cachés dans les langages de haut niveau (C, Java...) Ch.3

10 Appels de systèmes pour interpréter le commandes (Unix, Linux ou MS-Windows)
En Unix, le command interpreter (shell) peut démarrer et charger différents processus en mémoire, exécutant des appels de système appropriés (fork, exec). Détails dans sessions exercices. Ch.3

11 Deux modèles de communication entre processus par appels de système
transfert de messages entre processus (message passing) - utilisant le service de messagerie offert par le noyau b) à travers mémoire partagée entre processus (shared memory) Ch.3

12 Messagerie et mémoire partagée
Les processus doivent établir une connexion entre processus appels de système open connection, accept connection, close connection, read/send message les processus s’envoient des messages utilisant des identificateurs de machine ou de processus préalablement établis Mémoire partagée les processus doivent établir des zones de communication entre eux les processus doivent mutuellement synchroniser leur accès a cette zone Pour ceci, il font appel au SE (Chap. 7) Ch.3

13 Programmes système Pas partie du kernel, en augmentent la fonctionnalité. Voir discussion et exemples dans le manuel Ch.3

14 Partage de responsabilités entre programmes de systèmes et noyau
C’est en partie une décision de conception de SE de décider quelles fonctionnalités doivent être implémentées dans le kernel, et quelles dans les programmes de système. Dans l’évolution des SE il y a eu un transfert de fonctionnalités vers l ’extérieur de la figure Dans les SE modernes, les programmes de système sont l`interface entre usager et noyau Ch.3

15 Structure à couches Ch.3

16 Structure à couches dans les SE modernes
Un SE est divisé dans un certain nombre de couches, bâties les unes sur les autres la couche la plus basse communique avec le matériel la plus élevée est l’interface usagers Les couches supérieures utilisent les fonctionnalités fournies par les niveaux inférieurs Ch.3

17 Ch.3

18 Structure à couches opérations créées dans une couche pour les couches extérieures opérations fournies par une couche, utilisées par la prochaine couche, et cachées aux couches extérieures opérations d ’une couche intérieure rendues disponibles à une couche extérieure à éviter en principe, mais… v. après Ch.3

19 L’autre possibilité serait la structure réseau
Plus difficile à gérer, à cause des nombreuses interfaces et relations possibles À couches Réseau Ch.3

20 Avantages, désavantages de suivre fidèlement une structure en couches
Chaque couche ne doit connaître que les fonctionnalités fournies par la couche sous-jacente Chaque couche ajoute ses propres fonctionnalités Les erreurs peuvent plus facilement être isolés dans une couche spécifique Maison construite un étage à la fois… poser l’étage n seulement quand l’n-1 est solide Désavantages: Pas efficace car un appel des programmes usager à des ressources du matériel implique autant d’appels qu’il y a des couches intermédiaires Excellent principe, pas toujours fidèlement suivi Pour des raisons d’efficacité Ch.3

21 Structure de système - Approche simple
MS-DOS (1982) - cherchait à obtenir une fonctionnalité maximale avec des ressources limitées pas bien modularisé manque de séparation claire entre couches accès direct aux périphériques (écran, etc.) permis aux programmes d`application manque de contrôles, vulnérabilité malheureusement, il fut adapté à des fonctionnalités plus complexes... Systèmes très instables DOS fut la première base de Windows et une grande partie de l’histoire de Windows a été un effort de dépasser les limitations de MS-DOS Jusqu’à Windows NT  Windows XP Ch.3

22 Couches du MS-DOS (premiers systèmes Microsoft)

23 Structure UNIX  LINUX (1970  1991)
Multi-tâches, multi-usagers depuis le début Distinction entre: programmes du système noyau tout ce qu’il y a entre l’interface des appels de système et le matériel fournit dans une seule couche un grand nombre de fonctionnalités système fichiers, ordonnancement UCT, gestion mémoire... Plus modulaire et protégé que MS-DOS Effort de réduire les fonctionnalités du noyau au minimum nécessaire Ch.3

24 Structure UNIX: trois couches principales
noyau Ch.3

25 Systèmes d’exécution de langages
Chaque langage de programmation repose sur Des compilateurs Des ‘systèmes d’exécution’ (run-time systems) qui rendent possible l’exécution de programmes après compilation P.ex. le système d’exécution Java se préoccupe de gérer la mémoire pour les programmes Java Gérer les appels de sous-programmes ou méthodes, etc. Les systèmes d’exécution ne sont pas partie du SE Mais en utilisent les fonctionnalités, qui donc sont cachées aux usagers Ch.3

26 Machines Virtuelles Ch.3

27 Machines virtuelles: le problème et la solution
Comment permettre de rouler différents SE sur une seule machine physique? Pas évident, car chaque SE demande accès direct au matériel SOLUTION: Un programme qui crée une couche qui met à disposition plusieurs machines virtuelles Chaque machine virtuelle se comporte comme une machine physique séparée Sur chacune, nous pouvons rouler un SE différent Ch.3

28 Machines Virtuelles Virtuel en informatique dénote quelque chose qui n ’est pas réel, n’est pas du matériel: il est construit par le logiciel sur la base des ressources fournies par le matériel Une machine virtuelle est une machine créée par des couche de logiciel Elle peut avoir des caractéristiques identiques à la machine physique du système: mêmes instructions, etc. Ou elle peut ‘simuler’ une autre machine physique p.ex.pour exécuter Microsoft sur Apple Plusieurs machines virtuelles peuvent être créées sur une machine physique donnée! Ch.3

29 Une seule mach. réelle et un seul noyau (b) plus. mach
Une seule mach. réelle et un seul noyau (b) plus. mach. virtuelles et plus. noyaux Ch.3

30 Fonctionnement typique
Le système VM laisse exécuter normalement les instructions non privilégiées Mais les adresses des instructions doivent être modifiées pour les renvoyer à la zone de mémoire de la VM appropriée Les appels au système sont exécutés par le système VM et les résultats sont passés à la machine virtuelle sur laquelle le processus exécute Ch.3

31 Modification d’adresses
Dans l’UCT il y a un registre qui renvoie de fois en fois les adresses de chaque instruction de programme à la machine virtuelle pour laquelle l’UCT est en train d’exécuter VM1 OP REG ADR + REGISTRE VM2 De cette manière, un programme peut être exécuté par plus. machines virtuelles Ch.3

32 Avantages Plusieurs machines virtuelles sont obtenues à partir d’une seule machine physique: Pour servir à différents usagers Chaque machine virtuelle peut utiliser un SE différent Utile à fins d’expérimentation: Un nouveau SE ou une nouvelle application peuvent être développés sur une machine virtuelle sans affecter les autres Protection complète, car les machines virtuelles sont isolées les unes des autres Ch.3

33 Architecture VMWare: ici le virtualisateur n’es pas directement sur le matériel, il est sur Linux

34 Implémentations MAC, LINUX et autres permettent de rouler Windows sur leur plateforme Ils doivent fournir à Windows un environnement que Windows reconnaît comme son environnement matériel usuel Pareillement, Windows peut supporter d’autres SE Ch.3

35 Simulateur: un concept un peu différent
Applications Windows Applications MAC Windows Simul. Intel MAC OS PC SUN Microsystems Contrairement au cas précédent, les instructions Intel doivent être interprétées une par une dans l’environnement Apple-MAC Ch.3

36 Différence entre virtualisateur et simulateur
Un virtualisateur permet de rouler plusieurs SE différents sur une seule machine physique Mais toutes les SE se basent sur le même matériel Un simulateur permet de rouler programmes conçus pour matériels différents sur une seule machine physique Ch.3

37 L’infonuagique (cloud computing)
Dans l’infonuagique l’usager utilise les services offerts par un ‘nuage’ d’ordinateurs à travers connexions internet Au lieu d’utiliser simplement son propre ordi ou le serveur local L’offre de puissance de calcul et stockage du nuage doit être élastique pour suivre les besoins des usagers Plus ou moins selon la demande La création et destruction dynamique d’ordis virtuels en est un des mécanismes de base Ch.3

38 Infonuagique Chaque ordi peut être subdivisé en ordis virtuels
Pour une offre élastique de puissance de calcul et stockage Pour chaque usager séparément et selon la demande Ch.3

39 Concepts importants du Chapitre 3
Responsabilités et services d’un SE Le noyau Appels du système (system calls) Communication entre processus Messagerie et mémoire partagée Structure à couches Machines virtuelles Ch.3

40 Par rapport au manuel… Étudier sections 3.1 jusqu’à 3.7.
La section 3.8 n’a pas été discutée en classe mais elle contient des concepts importants concernant Java donc c’est une excellente idée de la lire Les sections 3.9, 3.10, 3.11 ne sont pas sujet d’examen cependant il est utile de les lire. Ch.3

41 Structure à couches dans le système THE (1968)
La structure à couches fut inventée dans le système THE (E.W. Dijkstra) qui avait les couches suivantes: Interface usager programmes usagers gestion E/S pilotage console opérateur gestion mémoire et tampons gestion UCT matériel Ch.3

42 Différentes visions du nom: UNIX
Originairement, UNIX était un SE spécifique Il est devenu plus tard un nom pour une famille de SE ayant la structure mentionnée avant dans ce chapitre Parfois, le nom UNIX est compris comme une simple interface: Sont UNIX les systèmes qui fournissent les instructions shell et API de l’UNIX La structure interne du système pourrait être très différente (c’est le cas dans QNX) Ch.3

43 POSIX POSIX est le nom d'une famille de standards définie depuis 1988 par IEEE. Résultat d'un projet de standardisation des API des logiciels destinés à fonctionner sur des variantes du systèmes d’exploitation UNIX. POSIX = Portable Operating System Interface, X exprime l'héritage UNIX de l'Interface de programmation Essentiellement POSIX a cherché à normaliser l’interface typique des systèmes UNIX Instructions shell, API Ch.3

44 QNX: Un succès dans notre région
QNX est un SE pour les applications temps-réel et les système embarqués Il est essentiellement Unix Offre l’interface POSIX Développé dans la région (à Kanata) à partir de 1980 A été utilisé dans un grand nombre d’applications temps-réel et embarquées, par un grand nombre de compagnies La compagnie a été achetée par Research in Motion (RIM) qui utilise QNX dans ses produits Playbook, BlackBerry, etc Ch.3