3 Généralités sur les systèmes d'exploitation

Le premier chapitre a montré l'évolution qui s'est produite sur l'utilisation de l'ordinateur, et l'introduction progressive de programmes généraux permettant de contrôler son utilisation. Cette évolution a été parfois mal ressentie par les utilisateurs qui voyaient souvent les contraintes et non les avantages. Ceux-ci ont “espéré” de l'abaissement des coûts du matériel la suppression du système d'exploitation. Le deuxième chapitre a mis en évidence la complexité du matériel, ainsi que sa diversité. Il ne viendrait à l'esprit de personne, actuellement, de demander la suppression du système d'exploitation. Il s'agit de le rendre apte à répondre aux véritables besoins des utilisateurs et de privilégier les services dont ces derniers ont besoin.

3.1. Les différents types de systèmes d'exploitation

Lors de la phase de conception d'un système d'exploitation, il est nécessaire de faire de nombreux choix, choix d'algorithmes, choix de politique de gestion, choix de paramètres, etc... Ces choix sont guidés par la nature de l'utilisation du système, et conduisent à des solutions de compromis.

3.1.1. Les modes d'utilisation

Le premier chapitre a montré plusieurs modes d'utilisation de l'ordinateur.

Le mode interactif correspond au cas où l'utilisateur dialogue avec l'ordinateur: il lance des commandes dont la durée d'exécution est brève, et dont il désire une réponse en quelques secondes, pour pouvoir décider de la suivante, après un temps de réflexion plus ou moins long. Ce mode se subdivise en plusieurs sous modes suivant les applications:
Le mode temps partagé: l'utilisateur doit pouvoir utiliser toutes les fonctionnalités de l'ordinateur, comme s'il l'avait pour lui tout seul. Il s'agit surtout de lui permettre de créer, tester, modifier, et exécuter des programmes quelconques.
Le mode transactionnel: l'utilisateur exécute des programmes prédéfinis, pour consulter ou mettre à jour des données partagées entre de nombreux utilisateurs.
Le mode conception assistée: l'utilisateur se sert de toute la puissance de l'ordinateur pour l'aider dans un travail complexe de conception. L'aspect graphique est souvent ici une caractéristique essentielle, et est une des raisons du besoin de puissance de calcul, le résultat d'une commande étant une modification d'un dessin sur l'écran.
Le mode différé correspond au traitement par lot. Dans ce mode, l'utilisateur fournit un travail dont il viendra chercher le résultat quelques heures après. Le travail peut être conséquent, et nécessiter de disposer de plusieurs ressources pendant un temps important, comme par exemple, du temps de processeur central, de l'espace mémoire ou des bandes magnétiques.
Le mode temps réel correspond au contrôle de procédés industriels. L'ordinateur a en charge de prendre des mesures au moyen de capteurs externes, pour surveiller un procédé, et lui envoyer en retour des commandes pour en assurer la bonne marche. Ces commandes doivent être envoyées dans des intervalles de temps qui sont imposés par le procédé lui-même, pour garantir son bon fonctionnement.

3.1.2. Les critères de choix

Les critères qui permettent de caractériser l'adéquation du système au mode de fonctionnement désiré, et donc d'induire les choix lors de la conception du système peuvent s'énoncer de la façon suivante:

Le temps de traitement d'une commande pourrait se définir comme le temps que mettrait l'ordinateur pour exécuter la commande s'il ne faisait que cela. En général, ce temps est décomposé en un temps de processeur et un temps d'entrées-sorties. Il est normalement assez bref dans le mode interactif (inférieur à la seconde, par exemple); il est souvent connu dans le sous mode transactionnel, mais il est a priori imprévisible dans les sous modes temps partagé et conception assistée. Dans le mode différé, ce temps peut être beaucoup plus important, de l'ordre de plusieurs dizaines de minutes, mais sa valeur maximale est souvent définie par le demandeur. Enfin, dans le mode temps réel, il est en général très bref, quelques dizaines de millisecondes, et connu, de façon assez précise.
Le temps de réponse est le délai qui sépare l'envoi de la commande par le demandeur, de la fin d'exécution de la commande. Ce temps ne peut, évidemment, être inférieur au temps de traitement. Ce n'est pas une conséquence de la demande seule, mais le résultat du comportement du système. C'est l'un des critères de jugement de l'utilisateur, et donc une contrainte que doit respecter le système pour satisfaire ce dernier. Si, par nature, un temps de réponse de plusieurs heures est acceptable pour le mode différé, par contre l'utilisateur, en mode interactif, attend normalement des temps de réponse de l'ordre de la seconde. Le sous-mode conception assistée peut parfois impliquer des temps de réponse beaucoup plus bref (suivi de souris par exemple). Le mode temps réel impose des contraintes souvent strictes sur le temps de réponse qui peut être aussi bien de quelques millisecondes, que de quelques minutes.
Le débit (en Anglais throughput) est le nombre de commandes qui sont exécutées par unité de temps. C'est une mesure de l'efficacité de l'ensemble du système, matériel et logiciel, qui est surtout intéressant pour le responsable du service informatique, car il permet de calculer indirectement la rentabilité du système, tous utilisateurs confondus. Il dépend évidemment de la nature des commandes demandées par les utilisateurs. Dans le mode transactionnel, le débit est défini par le nombre de transactions par seconde ou Tps. Dans le mode différé, le débit est défini par le nombre de travaux à l'heure.
Les moments d'arrivée des commandes déterminent la façon dont les commandes sont demandées au système. C'est une caractéristique de l'utilisateur. On a constaté, par exemple, qu'en mode temps partagé un utilisateur réfléchissait environ 30 secondes entre la réponse à une commande et l'envoi de la commande suivante. Cette durée peut être plus courte en mode transactionnel, lorsqu'il s'agit par exemple de la saisie d'un ensemble d'opérations comptables. A l'opposé, le mode différé signifie que chaque travail consiste lui-même en l'enchaînement d'une suite de commandes prédéfinies, permettant une planification des travaux.
Le mode de communication entre le demandeur et l'ordinateur impose des contraintes supplémentaires sur le système, dès que l'on désire introduire une distance entre les deux. Nous avons vu dans le chapitre précédent que la communication entre machines faisait intervenir un protocole normalisé plus ou moins complexe.
La nature du partage des ressources entre les demandeurs doit être clairement appréhéndée, car elle a une influence directe sur le comportement du système. Par exemple, le processeur est une ressource effectivement partagée entre les utilisateurs. Le système doit permettre une utilisation simultanée (à l'échelle de temps humaine) de cette ressource. Par contre une imprimante, ou un dérouleur de bandes magnétiques ne peuvent être attribués qu'à un seul utilisateur à la fois, pendant des périodes de temps assez longues. Le partage des ressources “logicielles” laisse souvent plus de liberté de choix suivant le mode d'utilisation. Notons tout d'abord que toute donnée peut être consultée par un nombre quelconque d'utilisateurs sans difficulté. Les problèmes surgissent avec les modifications d'une même donnée par plusieurs. En mode différé, le partage de données est obtenu simplement en attribuant exclusivement au travail l'ensemble des données dont il a besoin. Il en va souvent de même en mode temps partagé ou en mode conception assistée. En mode transactionnel, il est par contre impératif de permettre à de nombreux utilisateurs de pouvoir consulter ou modifier une même donnée, qui doit alors apparaître comme utilisée simultanément par tous ces utilisateurs. Par ailleurs, dans ce mode, il y a souvent beaucoup d'utilisateurs exécutant le même “programme”, justifiant le partage de la mémoire centrale entre les utilisateurs.

3.1.3. Système général ou spécialisé

Certains systèmes ont été conçus pour satisfaire le plus grand nombre de besoins, tout en privilégiant légèrement l'un des modes.

Par exemple, Multics (Bull) ou VMS (Dec) privilégient le mode temps partagé, tout en étant acceptable pour le transactionnel ou le différé; Multics ne tournant que sur grosse machine (DPS-8 spécial) est mal adapté aux modes conception assistée ou temps réel, alors que VMS peut être configuré sur des machines de taille moyenne pour répondre à peu près aux besoins de la conception assistée ou du temps réel. De même UNIX privilégie sutout le temps partagé; sa taille (initialement petite!) et sa disponibilité sur de nombreux matériels permettent de l'adapter aux besoins de la conception assistée. On ne peut le considérer comme adapté au temps réel, même s'il est plus facile que dans bien d'autres systèmes, d'y incorporer des “pilotes de périphériques”, c'est-à-dire des sous-programmes de gestion de périphériques.

A l'opposé, GCOS3 (Bull) ou MVS (IBM) sont des systèmes orientés d'abord vers le mode différé. Sur MVS, les autres modes sont obtenus par le biais de sous systèmes spécialisés, tels que TSO pour le temps partagé, CICS ou IMS pour le mode transactionnel.

Le système VM (IBM) se place de façon différente. Il s'agit en fait d'un noyau de système qui émule un ensemble de machines sur lesquelles on peut faire exécuter des systèmes particuliers. Par exemple, CMS est un système tournant sous VM, qui privilégie le mode temps partagé; il est d'ailleurs plus apprécié que TSO sous VMS.

Pour certaines applications, cette universalité du système d'exploitation n'est pas adaptée, ce qui conduit alors à concevoir un système spécialisé pour l'un des modes d'utilisation. Ceci est particulièrement vrai pour le temps réel ou le contrôle de procédés, pour lequel il existe beaucoup de systèmes dédiés: iRMX86 de Intel, SPART sur SPS-7 de Bull, RT-11 de Dec, etc... Il en est ainsi également pour certaines applications transactionnelles où le nombre de terminaux est particulièrement important, comme, par exemple, pour les systèmes de réservation de places pour les transports aériens ou terrestres. Enfin, la conception assistée demande souvent une puissance de calcul importante, et conduit à un poste de travail qui est déjà un ordinateur doté d'un système d'exploitation; il s'agit souvent d'un Unix configuré spécialement pour ces besoins.

Sur les ordinateurs personnels, par définition, il n'y a qu'un utilisateur à la fois. Il est donc naturel que leur système mette l'accent sur le mode interactif. MS-DOS, Windows 95/98 ou MacOS en sont de bons exemples. Cependant, si à l'origine, la faible puissance de ces ordinateurs justifiait la simplicité du système, ce n'est plus le cas aujourd'hui, et ces systèmes se sont complexifiés dans les aspects interfaces. Cependant, les limites de ces systèmes, qui ne gèrent pas le partage du processeur entre plusieurs activités, sont mises en évidence par la concurrence des stations de travail, de prix très abordable, dotées souvent d'un système de type UNIX, LINUX ou Windows NT.

3.2. Les services offerts par le système

Nous nous intéressons ici au point de vue de l'utilisateur dans son travail de conception et de réalisation d'une application particulière.

3.2.1. La chaîne de production de programmes

Nous avons vu dans le chapitre précédent que le langage de l'ordinateur était binaire et rudimentaire. Il faut donc tout d'abord lui fournir un ensemble d'outils qui lui permette de construire cette application dans un langage plus agréable pour lui; ce sont les divers constituants de la chaîne de production de programmes. Certains d'entre eux seront étudiés plus en détail dans les chapitres suivants.

L'interpréteur de commande est le premier outil fondamental. C'est lui qui va permettre à l'utilisateur de se faire connaître de l'ordinateur (login), et de lui demander l'exécution des programmes préenregistrés, au fur et à mesure de ses besoins. Certains systèmes offrent plusieurs interprèteurs permettant de satisfaire des utilisateurs aux besoins différents.
Les éditeurs de texte permettent la création et la modification du texte des programmes. Les premiers découpaient le texte en lignes, et permettaient les modifications des textes comme on le faisait avec des cartes perforées, en utilisant des terminaux de possibilités réduites. La deuxième génération découpe le texte en pages, affiche une page sur l'écran dont est doté le terminal et permet de se déplacer dans le texte à la position voulue pour faire les corrections visibles immédiatement sur l'écran. Dans chacun des cas, le texte manipulé est une suite de caractères quelconques, l'éditeur permettant parfois la manipulation par caractère, par mot, par ligne ou par paragraphe. La dernière génération tente de faciliter le travail du programmeur en tenant compte du langage utilisé: l'éditeur permet alors la manipulation d'entités structurelles du langage, telles que les instructions, les blocs, les sous-programmes, les déclarations, etc... On les appelle éditeurs syntaxiques, car les manipulations autorisées sont guidées par la syntaxe du langage de programmation de l'utilisateur.
Les compilateurs, interpréteurs ou assembleurs sont des programmes particuliers, fournis en général par le constructeur de la machine, qui permettent la traduction d'un programme écrit dans un langage donné, plus adapté à l'homme, dans le langage de la machine.
L'éditeur de liens et le chargeur sont également des programmes fournis par le constructeur. Les logiciels professionnels sont souvent de bonne taille, et ne peuvent être manipulés comme un tout. Il est nécessaire de les décomposer en modules qui sont des morceaux de programmes qui peuvent être compilés séparément les uns des autres. L'éditeur de liens permet de rassembler de tels modules déjà compilés et d'en faire un programme exécutable. Le chargeur est le programme qui assure la mise en mémoire centrale d'un programme exécutable, et d'en lancer l'exécution (figure 3.1).

Fig 3.1. La chaîne de production de programmes.

Des outils complémentaires sont souvent également fournis pour faciliter le travail du programmeur, tels que un metteur au point qui facilite le test des programmes, paragrapheur qui met en forme les textes sources de programmes, outil de références croisées qui permet de connaître les liens entre les modules, bibliothécaire qui gère les modules déjà compilés, etc...

3.2.2. Le programme et les objets externes

Nous avons vu également que les connexions avec les périphériques étaient complexes et variées. Bien des applications n'ont pas pour but d'accéder à ces périphériques en tant que tel, mais pour pouvoir mémoriser des informations dont la durée de vie excède la durée d'exécution du programme, ou pour pouvoir communiquer avec l'extérieur de la machine. Il faut donc lui fournir des moyens de simplifier les accès à ces périphériques, en lui proposant des mécanismes uniformes d'accès à des objets externes aux programmes.

Les chapitres 7 à 11 montreront quels sont les problèmes, et comment ils sont résolus habituellement. Il s'agit de fournir à l'utilisateur, d'une part, des outils de gestion de ces objets externes sous forme de programmes spécifiques, mais aussi, d'autre part, des sous-programmes d'accès au contenu de ces objets à l'intérieur de ses propres programmes.

3.2.3. Le programme et son environnement physique

Le matériel dont on dispose est figé et a certaines caractéristiques plus ou moins faciles à utiliser. Le programmeur a, par ailleurs, des besoins inhérents à l'application qu'il doit réaliser, et ne peut configurer strictement le matériel à ses besoins, car ceux-ci varient d'une application à l'autre. Le problème est alors de fournir à l'utilisateur une machine virtuelle adaptée à ses besoins. Le terme virtuel doit ici être compris essentiellement par opposition à réel, c'est-à-dire que notre machine virtuelle est obtenue par substitution totale ou partielle de composants matériels par des composants logiciels. L'un des premiers aspects est en particulier d'assurer l'indépendance des usagers de la machine réelle, en gérant implicitement les ressources communes (processeur, mémoire, etc...). Il est possible également de “simuler” des ressources qui n'existent pas ou qui sont insuffisantes, de façon à adapter la configuration de la machine virtuelle aux besoins. Ceci sera développé dans les chapitres 12 à 14.

3.3. Architecture d'un système

La figure 3.2 montre l'architecture habituelle d'un système informatique. Dans le premier niveau, on trouve la machine nue, c'est-à-dire les composants matériels. Le deuxième niveau assure les fonctions premières de gestion des ressources physiques, et sert d'interface entre le logiciel et le matériel. Le troisième niveau définit les fonctionnalités du système lui-même. Les niveaux supérieurs ne sont plus partie intégrante du système proprement dit. Ce sont donc des programmes plus ou moins fortement liés au système. En particulier le quatrième niveau rassemble l'ensemble des outils qui contribuent à la chaîne de production de programmes. Le cinquième niveau regroupe l'ensemble des programmes d'application, ainsi que des utilitaires courants qui sont en fait des programmes d'application suffisamment généraux pour ne pas être dédiés à une application donnée, comme par exemple les utilitaires de tri-fusion ou de copie de fichiers. Les utilisateurs se trouvent au niveau supérieur (6).

Fig. 3.2. Architecture générale d'un système informatique.

3.4. Conclusion

+ Il y a plusieurs modes différents d'utilisation de l'ordinateur: le mode interactif, le mode différé, ou le mode temps réel. Le mode interactif peut lui-même se décomposer en mode temps partagé, mode transactionnel et mode conception assistée.

+ Chacun des modes a ses propres caractéristiques, qui se distinguent par le temps de traitement, le temps de réponse, les moments d'arrivée, le mode de communication et la nature du partage des ressources.

+ Les systèmes d'exploitation peuvent être conçus pour satisfaire le plus grand nombre de besoins, tout en privilégiant l'un des modes, ou être dédiés à un besoin spécifique, lorsque les contraintes sont trop fortes.

+ La chaîne de production de programmes est l'ensemble des outils qui concourrent à la réalisation des programmes. Elle comprend principalement l'interpréteur de commandes, les éditeurs de texte, les traducteurs, l'éditeur de liens, le chargeur, etc...

+ Les objets externes sont des objets manipulés par les programmes, mais dont la durée de vie s'étend au-delà de la durée d'exécution d'un programme unique.

+ L'environnement physique des programmes doit être adapté par le système pour fournir à l'utilisateur une machine virtuelle dont la configuration correspond à ses besoins.