Fiche de Révision : Systèmes d’exploitation

Niveau intermediate

Introduction

Un système d’exploitation (SE) est un logiciel essentiel qui agit comme une interface entre le matériel informatique (hardware) et les utilisateurs ou les applications (software). Il permet de gérer les ressources de la machine (processeur, mémoire, périphériques) et facilite l'exécution des programmes.

Définition
Un système d’exploitation est un ensemble de programmes qui contrôlent et coordonnent l’utilisation du matériel par les utilisateurs et les logiciels applicatifs.

1. Rôles principaux d’un système d’exploitation

Le système d’exploitation remplit trois fonctions majeures :

• Gestion des ressources : Attribution et libération du processeur, de la mémoire, et des périphériques.
• Interface utilisateur : Fourniture d’un environnement pour interagir avec le système (interface graphique, ligne de commande).
• Gestion des fichiers : Organisation, stockage et accès aux données sur des supports de masse (disques durs, SSD).

2. Composants fondamentaux

2.1. Le noyau (Kernel)

Cœur du SE, le noyau gère les ressources matérielles et assure la communication entre le matériel et les logiciels.

• Monolithique : toutes les fonctions exécutées dans un même espace mémoire (ex. Linux).
• Micro-noyau : fonctionnalités de base dans le noyau, services additionnels dans des processus séparés (ex. Minix).

2.2. Gestionnaire des processus

Permet la création, l’exécution, la synchronisation et la terminaison des processus (programmes en cours d’exécution).

2.3. Gestionnaire de mémoire

Alloue et contrôle la mémoire vive (RAM) utilisé par les processus, avec la mémoire virtuelle comme méthode pour étendre la mémoire physique.

2.4. Système de fichiers

Permet l’organisation des données en fichiers et dossiers, en gérant leur accès et leur stockage.

3. Concepts clés

3.1. Processus et Thread

• Processus : Instance d’un programme en exécution, avec son propre espace mémoire.
• Thread : Sous-processus léger partageant le même espace mémoire du processus.

Exemple : Dans un navigateur web, chaque onglet peut être un thread, mais ils font partie du même processus principal.

3.2. Gestion de la mémoire virtuelle

Permet à un ordinateur d’exécuter des programmes plus gros que sa RAM en utilisant un espace disque comme extension.

• Pagination : Découpage de la mémoire virtuelle et réelle en pages de taille fixe.
• Segmentation : Découpage selon des segments logiques (code, données, pile).

3.3. Ordonnancement (Scheduling)

Le SE doit décider quel processus obtient accès au processeur et quand.

• Algorithmes courants :
  • First-Come, First-Served (FCFS)
  • Round Robin
  • Priorité
  • Shortest Job Next (SJN)

Le choix de l’algorithme impacte les performances : temps d’attente, réactivité, équité.

4. Types de systèmes d'exploitation

5. Cycle de vie d’un processus

1. Création : Un processus est créé par un autre (processus parent).
2. État prêt (Ready) : En attente de temps CPU.
3. Exécution (Running) : Utilise le CPU.
4. Blocage (Waiting) : Attend un événement (I/O, sémaphore).
5. Terminaison : Processus achevé.

[Diagramme]

L’explication du diagramme : Un processus passe du prêt à exécution lorsque le SE lui alloue du temps CPU. En cas d’attente (ex. ressources), il passe en blocage puis revient en prêt une fois l’événement terminé.

6. Gestion des fichiers

Le système de fichiers repose sur quelques notions clés :

• Fichier : Ensemble logique de données.
• Répertoire (Dossier) : Contient des fichiers ou d’autres répertoires.
• Chemin d’accès : Adresse d’un fichier dans la hiérarchie (ex. C:\Utilisateurs\Alice\document.txt)

Types de systèmes de fichiers courants

7. Gestion des entrées/sorties (I/O)

La gestion des périphériques (claviers, disques, imprimantes) repose sur :

• Pilotes (drivers) : Logiciels spécifiques permettant la communication avec les périphériques.
• Interruption : Signal envoyé par le matériel pour interrompre le CPU afin de traiter une opération d’entrée/sortie.

8. Sécurité et protection

Le SE doit assurer la prévention des accès non autorisés et protéger les ressources :

• Contrôle d’accès : Permissions sur fichiers et processus.
• Isolation des processus : Empêcher qu’un processus interfère avec un autre.
• Gestion des utilisateurs : Authentification, comptes utilisateurs.

9. Synthèse

Un système d’exploitation est un logiciel fondamental qui :

• Gère efficacement les ressources matérielles.
• Permet l’exécution et l’ordonnancement des programmes.
• Offre une interface utilisateur accessible.
• Gère les fichiers et la mémoire.
• Assure la sécurité et la stabilité de la machine.

Sa complexité est grande et il repose sur des principes solides comme la gestion des processus, la mémoire virtuelle, l’ordonnancement et la gestion des fichiers.

Annexe : Exemple simple d’ordonnancement Round Robin

L’algorithme Round Robin répartit équitablement le temps processeur selon un quantum fixe.

Si [Formule] est la durée du quantum et [Formule] le nombre de processus, chaque processus obtient le CPU pendant au maximum [Formule].

On calcule le temps d’attente moyen par :

[Formule mathématique]

Si vous souhaitez approfondir un point particulier (gestion mémoire, sécurité, types de noyaux), n’hésitez pas à demander !