SYSTÈMES D'EXPLOITATION, informatique

Un système d'exploitation (Operating System ou OS) est un ensemble de programmes spécialisés qui permet l'utilisation des ressources matérielles d'un ou plusieurs ordinateurs. Il assure le démarrage (Boot) de l'ordinateur et l'exécution des logiciels applicatifs. Il remplit deux fonctions majeures : d'une part, la gestion des ressources matérielles (la mémoire, le processeur et les périphériques), en répartissant leur utilisation entre les différents logiciels ; d'autre part, la fourniture de services aux applications, en offrant une interface de plus haut niveau que celle de la machine physique. Cette interface présente la vision d'une « machine virtuelle », fournissant un ensemble de fonctions de base (appels système) pour l'écriture des applications.

Depuis leur apparition à la fin des années 1950, les systèmes ont suivi l'évolution de l'informatique, marquée notamment par le développement des microprocesseurs et la mise en réseau des ordinateurs. Si les premiers systèmes géraient les ressources d'un ordinateur dédié à un unique programme applicatif, les systèmes d'aujourd'hui contrôlent l'exécution simultanée d'une multitude de programmes répartis sur un ensemble d'ordinateurs. Leur conception reste cependant essentiellement fondée sur des principes introduits dans les années 1960.

Structure d'un système d'exploitation

Un système d'exploitation doit assurer le fonctionnement d'un système informatique composé d'une unité centrale (un processeur universel), d'une mémoire vive et d'un certain nombre d'unités d'échange ou contrôleurs. Ces derniers sont des processeurs spécialisés dans le transfert de données entre les périphériques (disques magnétiques, accès réseau...) et la mémoire vive. Des bus (ensemble de fils d'interconnexion) permettent les échanges d'informations entre ces différents composants (fig. 1).

Le système d'exploitation est un logiciel composé d'un noyau (kernel) qui réalise les fonctions fondamentales comme l'exécution des programmes, l'accès aux fichiers, la gestion des utilisateurs et de la mémoire vive, et le transfert de données vers les périphériques (entrées/sorties). L'accès à ces fonctions de base se fait par des appels système émis par les programmes utilisateurs. Au-dessus du noyau s'exécute un ensemble de programmes utilitaires offrant des services de plus haut niveau. Les codes de ces services sont souvent regroupés dans des bibliothèques qui peuvent être utilisées par les programmes applicatifs. Il existe aussi des programmes indépendants, n'appartenant pas au système d'exploitation, qui assurent des services externes comme le transfert de données, l'accès à un langage de commande ou l'accès à un ordinateur distant (fig. 2). La plupart des systèmes d'exploitation actuels offrent à l'utilisateur une interface graphique (Graphic User Interface, ou GUI), permettant de faciliter l'accès aux fonctions du système et aux programmes applicatifs.

Les composants du système d'exploitation s'exécutent dans des modes de fonctionnement différents du processeur. Ainsi, le code du noyau fonctionne dans un mode privilégié, donnant un accès illimité à toutes les ressources matérielles (processeur, mémoire, disque). Les programmes système localisés au-dessus du noyau ne possèdent pas les mêmes privilèges que ceux du noyau ; ils sont exécutés en mode utilisateur, comme les programmes applicatifs. Dans ce dernier mode, l'accès aux ressources est restreint : chaque programme reste confiné et ne peut accéder qu'aux ressources qui lui sont allouées par le noyau. Des trappes permettent à un programme applicatif de basculer en mode privilégié pour l'exécution de portions de codes du noyau. Elles sont soit déclenchées par des appels[...]