Système d'exploitation - Définition

Composition

Un système d'exploitation est composé d'une large palette de programmes. La composition exacte dépend de l'usage cible et du type d'appareil informatique auquel le système est destiné (ordinateur personnel, serveur, superordinateur ou encore système embarqué).

Si le système d'exploitation est destiné à être utilisé sur un ordinateur personnel ou une console de jeu vidéo, l'interface graphique sera raffinée et ergonomique. S'il est destiné à être utilisé sur un serveur, il comprendra une large palette de protocoles et de pilotes pour du matériel réseau, sera multi-tâches et muni de contrôles d'accès. Au contraire, le nombre de pilotes sera restreint au minimum et le système d'exploitation sera prévu pour être enregistré sur une mémoire morte s'il est destiné à un assistant personnel ou un téléphone portable. Un système d'exploitation destiné à des superordinateurs sera massivement multiprocesseur, c'est-à-dire qu'il pourra être utilisé sur un ordinateur équipé de centaines voire de milliers de processeurs.

Interface de programmation

Le système d'exploitation effectue de nombreuses actions sur demande des logiciels applicatifs. Le point de contact entre un logiciel applicatif et le système d'exploitation est appelé interface de programmation (anglais Application Programming Interface abrégé API). Ce peut être des fonctions mises à disposition dans des bibliothèques logicielles, ou des logiciels serveur qui répondent aux requêtes envoyées par les logiciels applicatifs.

L'utilisation de la même interface de programmation quel que soit le matériel, le protocole ou le système de fichier concerné assure la portabilité des logiciels applicatifs : un logiciel applicatif donné pourra fonctionner sur différents ordinateurs, quelle que soit leur configuration, en particulier quel que soit le matériel, le système de fichier ou le protocole utilisé.

POSIX (acronyme de l'anglais Portable Operating System Interface) est une norme relative à l'interface de programmation du système d'exploitation. De nombreux systèmes d'exploitation sont conformes à cette norme, notamment les membres de la famille Unix.

L'ordonnanceur

L'ordonnanceur (anglais scheduler) est le programme du système d'exploitation qui contrôle le déroulement des autres programmes. Dans un système d'exploitation multitâches l'ordonnanceur assure l'exécution simultanée de plusieurs programmes (concurrence).

L'exécution simultanée de plusieurs programmes est réalisée de la manière suivante: l'ordonnanceur commande l'exécution à tour de rôle de chaque programme par le ou les processeurs de l'ordinateur, chaque processeur exécute les instructions d'un programme pendant une fraction de seconde, puis l'ordonnanceur effectue une commutation de contexte (anglais context switch), suspend l'exécution du programme en cours et passe au programme suivant.

La communication inter-processus

Les systèmes informatiques sont typiquement composés de nombreux programmes qui coopèrent en s'échangeant des informations. Les échanges d'informations entre les processus (programmes en cours d'exécution) peuvent se faire à l'aide de messages stockés en mémoire, le système d'exploitation s'occupant de collecter les messages et les mettre à disposition de chaque destinataire. Tout processus qui attend un message sera interrompu jusqu'à l'arrivée d'un message et l'ordonnanceur évitera toute commutation de contexte vers un processus en attente.

Le système d'exploitation s'assure également que les processus qui partagent un espace de stockage commun (en lecture ou écriture) ne se trouvent pas en condition de concurrence, c'est-à-dire dans une situation ou le résultat d'une opération dépend de l'ordre dans lequel les processus accèdent à l'espace partagé.

La mémoire virtuelle

Le mécanisme dit de mémoire virtuelle est destiné à simuler la présence ou l'absence de mémoire centrale par manipulation de l'unité de gestion mémoire - un composant électronique (anglais Memory Management Unit abrégé MMU). C'est un mécanisme courant dans les systèmes d'exploitation contemporains.

La mémoire virtuelle repose sur le fait qu'un programme n'a pas besoin que toutes les données qu'il manipule se trouvent simultanément en mémoire centrale. Une partie de ces données peut donc être stockée dans la mémoire de masse (en général dans un fichier ou une partition de disque dur) qui est habituellement plus importante (car moins chère mais plus lente). Il faut néanmoins que ces données puissent être transférées en mémoire centrale lorsque le programme en a besoin.

Les programmes disposent d'un (ou plusieurs) espaces virtuels de mémoire continus pour travailler. Les adresses des données sont dites virtuelles dans la mesure où ces données peuvent être stockées en mémoire centrale à une adresse physique totalement différente, ou bien n'être stockées que dans la mémoire de masse. Lorsque le programme essaie de lire ou écrire une donnée dans sa mémoire virtuelle, le système d'exploitation cherche l'adresse physique correspondant à l'adresse virtuelle sollicitée grâce à une table de correspondance (propre à chaque programme). Si l'emplacement n'est pas présent en mémoire centrale, il n'y aura évidemment aucune adresse physique correspondante. Le système d'exploitation devra alors chercher à libérer un espace en mémoire centrale en le copiant dans la mémoire de masse, puis copier l'emplacement requis de la mémoire de masse vers la mémoire centrale, et enfin mettre à jour sa table de correspondance : l'adresse virtuelle a maintenant une adresse physique correspondante.

Le système d'exploitation assure la gestion de la mémoire virtuelle de manière transparente pour les programmes.

Il gère les mémoires associatives ou TLB (Translation Lookaside Buffer) de l'unité de gestion mémoire (qui est un composant matériel branché entre le processeur et la mémoire centrale). En effet, la traduction d'une adresse virtuelle en adresse mémoire, qui doit être très rapide, est réalisée par le matériel. L'unité de gestion mémoire possède plusieurs TLB. Les systèmes d'exploitation utilisent généralement deux TLB : un pour le mode kernel et un pour le mode utilisateur. Le TLB du mode kernel est arrangé de manière à permettre au processeur d'utiliser la totalité de la mémoire centrale disponible ; il est utilisé lors de l'exécution des programmes du noyau du système d'exploitation. Le TLB du mode utilisateur est arrangé de manière à protéger le noyau (qui est ainsi invisible pour le programme en question) ; cette table est utilisée lors de l'exécution des programmes hors du noyau. Le fait que chaque programme dispose de sa propre table permet de les isoler les uns des autres.

Le système d'exploitation doit, en cas de commutation de contexte, de placer la table du programme courant dans le TLB. Il doit également créer de nouvelles tables pour les programmes qui démarrent.

Il doit également décider quels emplacements de mémoire virtuelle seront ou ne seront pas présents en mémoire centrale.

Pilotes

Un pilote (anglais driver) est un programme qui contient les instructions à exécuter pour utiliser un certain périphérique informatique. Les pilotes sont fournis par l'auteur du système d'exploitation ou le fabricant du périphérique. Un système d'exploitation contient typiquement de nombreux pilotes correspondant à de nombreux composants matériels susceptibles d'être montés dans l'ordinateur.

L’interface de programmation est similaire sur tous les pilotes, tandis que les instructions du programme différent en fonction des caractéristiques de chaque composant matériel, ce qui assure l'utilisation banalisée du périphérique.

Le système d'exploitation dirige l'utilisation des pilotes par les logiciels applicatifs. Il intervient lorsque plusieurs logiciels applicatifs tentent d'utiliser le même matériel en même temps, et active ou désactive les pilotes en fonction du matériel présent dans l'ordinateur.

Lors de chaque événement survenu sur un périphérique (réception d'informations, fin d'un envoi, manipulation effectuée par l'utilisateur...), ce dernier provoque une interruption matérielle, un mécanisme électronique qui provoque une commutation de contexte ; le système d'exploitation déclenche alors l'exécution des instructions du pilote concerné.

Les logiciels applicatifs ainsi que le système d'exploitation peuvent également, au besoin, déclencher l'exécution des instructions d'un pilote.

Système de fichiers

Un système de fichier (anglais file system) est une structure en arbre dans laquelle sont stockés des fichiers ainsi que d'autres informations. Divers programmes du système d'exploitation s'occupent de répartir les fichiers sur les mémoires de masse tels que les disques durs et de les relier pour former la structure du système de fichiers.

Il existe diverses manières de disposer les fichiers dans une mémoire de masse. Une mémoire de masse qui a été remplie avec un système d'exploitation selon une disposition donnée sera reconnue par un autre système d'exploitation uniquement si celui-ci reconnaît la disposition en question. Les mémoires amovibles telles que les CD ou les DVD ont une disposition normalisée dont les spécifications sont publiques, ce qui assure leur reconnaissance par tous les systèmes d'exploitation (voir ISO 9660 et UDF).

Un système d'exploitation contient typiquement différents programmes qui servent à manipuler un système de fichier. Chaque programme manipule les fichiers conformément à une disposition donnée. Ces programmes effectuent des opérations telles que créer des fichiers, les copier, les supprimer, créer et supprimer des répertoires ainsi que formater la mémoire de masse c'est-à-dire créer une structure vide. voir FAT, HFS ou ext2fs.

Lorsque le système de fichier est distribué, c'est-à-dire que les fichiers sont stockés sur différents ordinateurs d'un réseau informatique, le système d'exploitation envoie une requête à l'ordinateur qui stocke le fichier pour chaque opération à effectuer (voir NFS ou CIFS).

Dans un système d'exploitation multi-utilisateurs, les programmes qui manipulent le système de fichier effectuent des contrôles pour vérifier qu'aucun fichier n'est manipulé par une personne non autorisée. Le système d'exploitation refusera toute manipulation non autorisée.

Réseau

Dans un réseau informatique, deux ordinateurs reliés arrivent à communiquer du moment que les communications se font de part et d'autre selon les mêmes protocoles réseau. Selon le modèle OSI, les différents protocoles existants sont répartis sur sept niveaux, où un protocole d'un niveau donné peut être combiné avec n'importe quel protocole des niveaux situés en dessus et en dessous (voir encapsulation).

Un système d'exploitation contient typiquement plusieurs programmes nécessaires pour des échanges d'informations dans différents protocoles des niveaux 1 à 4. Tandis que les niveaux 5 à 7 sont pris en charge par les logiciels applicatifs et les middleware.

Pour les échanges d'informations selon les protocoles de niveau 1 et 2, le système d'exploitation demande l'opération au matériel de l'ordinateur par l'intermédiaire d'un pilote informatique, pilote qui peut faire partie intégrante du système d'exploitation ou être fourni par le constructeur du matériel.

Lors de l'envoi d'informations sur le réseau, un logiciel applicatif crée une information, la met en forme conformément aux protocoles des niveaux 7 à 5, puis la transmet au système d'exploitation. Divers programmes du système d'exploitation vont découper cette information en trames, puis vont mettre en forme les trames et les envoyer conformément aux protocoles des niveaux 4 à 1.

Lors de la réception de trames depuis le réseau, divers programmes du système d'exploitation vont tenter de les décoder conformément à différents protocoles des niveaux 1 à 4, puis transformer la suite de trames en un flux continu, qui sera envoyé au logiciel applicatif destinataire. Le logiciel va alors décoder le flux conformément aux protocoles de niveaux 5 à 7. Le logiciel applicatif effectue préalablement une connexion, c'est-à-dire une liaison logique par laquelle il va s'associer avec un flux particulier.

Le choix exact des protocoles utilisés dépend de l'ordinateur concerné et des liaisons réseau qui vont être utilisées. Divers paramètres de configuration permettent d'influencer le choix des protocoles. Ils permettent par exemple d'empêcher l'utilisation de protocoles interdits sur le réseau concerné.

Contrôle d'accès

Dans un système d'exploitation multi-utilisateurs, un ensemble de programmes assure la sécurité des informations enregistrées dans les mémoires ainsi que la disponibilité de l'ordinateur, ceci afin de préserver la confidentialité et éviter que de manipulations effectuées par un utilisateur perturbent l'utilisation de l'ordinateur par les autres utilisateurs. Cette fonctionnalité est souvent absente des systèmes d'exploitation pour les appareils personnels.

Dans ces systèmes d'exploitation tout utilisateur doit préalablement décliner son identité avant d'utiliser l'ordinateur. Puis un programme du système d'exploitation vérifie cette identité par rapport à un annuaire ou un référentiel (voir authentification). Le système d'exploitation établit alors une liste des opérations autorisées ou interdites à l'utilisateur en fonction des règlements (en anglais : policies) qui ont été introduits par l'administrateur sécurité – la personne responsable de la sécurité des informations.

Lors de chaque opération demandée par un logiciel applicatif, le système d'exploitation vérifie préalablement si l'utilisateur qui manipule le logiciel applicatif est autorisé à effectuer cette opération. La vérification se fait sur la base des règlements ainsi que des listes de droits d'accès introduits par l'administrateur sécurité. Le système d'exploitation refusera toute opération non autorisée et inscrira le refus dans un journal d'activité.

En particulier, le système d'exploitation peut refuser à un utilisateur de lire, de modifier, ou de supprimer un fichier, selon la liste des droits d'accès introduits concernant ce fichier. Le nom des personnes autorisées à modifier les listes de droits d'accès est également indiqué dans la liste de droits d'accès.

Le système d'exploitation va également refuser la mise hors service de programmes centraux tels que les logiciels serveur ou des programmes du système d'exploitation par tout utilisateur qui n'a pas préalablement reçu le privilège d'effectuer cette opération – selon les règlements introduits par l'administrateur de sécurité.

Lorsqu'un logiciel autonome (bot informatique) demande des opérations au système d'exploitation, le logiciel doit préalablement décliner son identité en tant que produit puis, sur la base de cette identité, le système d'exploitation effectue les mêmes vérifications que pour une personne physique.

Les mécanismes de contrôle d'accès ont aussi pour effet de lutter contre les logiciels malveillants – ceux-ci effectuent souvent des opérations susceptibles de perturber l'utilisation de l'ordinateur.

Interface utilisateur

Un ensemble de programmes du système d'exploitation reçoit les informations envoyées par les logiciels applicatifs, et les place sur une image numérique qui sera envoyée au matériel par l'intermédiaire d'un pilote. En complément un autre ensemble de programmes reçoit les manipulations effectuées par l'usager par l'intermédiaire de pilotes puis les transmettent au logiciel concerné. Ces deux ensembles créent l'interface homme-machine qui permet à un usager de dialoguer avec la machine.

Le système d'exploitation peut dialoguer avec un usager par l'intermédiaire d'un autre ordinateur ou d'un terminal (interface distribuée). Les informations envoyées par les logiciels applicatifs seront alors envoyées à l'autre ordinateur selon un protocole prévu à cet effet, tandis que l'autre ordinateur enverra les manipulations effectuées par l'utilisateur. Voir SSH, RFB ou X Window System.

Lorsque l'interface est en mode texte, l'image numérique est une grille dans laquelle sont placés des caractères d'imprimerie, la grille comporte typiquement 80 colonnes et 35 lignes. L'interface se manipule avec un clavier. Ce type d'interface, qui existe depuis les débuts de l'informatique est aujourd'hui remplacé par les interfaces graphiques.

L'interface utilisateur graphique

Dans une interface utilisateur graphique (anglais Graphical User Interface abrégé GUI), l'image numérique est composée par un programme du système d'exploitation par superposition de points, de lignes, de pictogrammes et de caractères d'imprimerie. L'interface se manipule typiquement avec une souris selon le principe WIMP (anglais Windows, Icons, Menus and Pointer device). L'image numérique est créée à l'aide du processeur graphique de l'ordinateur.

Lors des manipulations de la souris, le système d'exploitation déplace l'élément d'image qu'est le pointeur et effectue les calculs nécessaires pour déterminer quel est l'élément de l'image qui se trouve juste en dessous. À chaque élément de l'image peut être associé un programme. Un widget est un programme qui dessine et anime un élément d'image dont l'aspect peut-être celui d'un bouton poussoir, d'une lampe témoin, d'un ascenseur, d'une zone texte, d'un menu, etc. Divers widgets sont fournis avec le système d'exploitation.

Les programmes pour interface graphique sont aujourd'hui (2009) inclus dans tous les systèmes d'exploitation contemporains. Le X Window System est l'ensemble des programmes pour interface utilisateur graphique inclus dans tous les systèmes d'exploitation de la famille Unix.

Logiciels utilitaires

Un logiciel applicatif sert à assister l'utilisateur dans une activité. Les logiciels utilitaires sont des logiciels applicatifs qui permettent à l'utilisateur d'effectuer des manipulations basiques telles que démarrer des programmes, copier des fichiers ou modifier des paramètres de configuration. Divers logiciels utilitaires sont fournis avec les systèmes d'exploitation.

Un interpréteur de commandes est un programme qui permet d'exécuter d'autres programmes en écrivant leur nom éventuellement suivi de divers paramètres. Il est accompagné de plusieurs programmes qui permettent la manipulation des fichiers (copie, changement de nom...). Ce type de programme est utilisé pour effectuer des manipulations ou exécuter des scripts – suites de manipulations pré-enregistrées (voir commande informatique).

Un environnement de bureau est un programme dans lequel les différents éléments de l'ordinateur (programmes, fichiers, disques durs) sont présentés sous forme de pictogrammes sur lesquels il est possible d'effectuer différentes actions. Il permet d'exécuter des programmes, d'effectuer différentes opérations sur les fichiers (copie, changement du nom, déplacement ou suppression)...

Certains programmes permettent à l'utilisateur à modifier les paramètres de configuration du système d'exploitation. Ceux-ci proposent des listes à choix multiples et effectuent des contrôles de validité avant le modifier les paramètres.

D'autres programmes servent à installer des logiciels, c'est-à-dire copier les fichiers dans les emplacements prévus à cet effet, et effectuer les modifications de configuration nécessaire pour rendre le logiciel opérationnel. Ces programmes peuvent aussi servir à consulter la liste des logiciels actuellement installés dans l'ordinateur.

Un système d'exploitation multi-utilisateurs est en général fourni avec des programmes permettant de surveiller l'activité de l'ordinateur – consultation de journaux d'activité – ou de modifier les listes de droits d'accès en vue d'autoriser ou d'interdire un fichier à certains utilisateurs.