Architectures et paradigmes pour concevoir des systmes dexploitations

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Architectures et paradigmes pour concevoir des
systèmes dexploitations

• Clefs pour la conception des systèmes
  dexploitations, principales stratégies
  dabstraction et paradigmes de mise en uvre.
• Par Gilles Grimaud
• Université des Sciences et Technologies de Lille
• http//www.lifl.fr/grimaud/Cours

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Plan

• Pourquoi parler darchitecture
• Paradigme événementiel
• Paradigme des flux
• Architecture des micro-noyaux
• Abstraction et machines virtuelles
• Virtualisation du matériel

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Architectures des systèmes

• Lexemple du système de fichier

Accès dédié à un fichier
Bibliothèque de base liée dans chaque
application.
Liaison symbolique des fichiers
Logiciel propre à chaque système dexploitation
Organisation des blocs en fichiers
Allocation des blocs
Partage de secteurs dun disque
Standard partagé entre différents systèmes.
Logiciel en ROM associé au matériel.
Manipulation des secteurs dun disque
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Architectures des systèmes

• Lexemple du système de fichier

Interface Java des flux
Accès h.n. C
Interface JVM/OS
Interface daccès bas niveau
liaison symbolique
Mémoiremappée
Mécanisme de gestion des flux
Organisation des blocs en fichiers
Tubes
Sockets

Allocation des blocs
Autres allocateurs
Swap
Partage de secteurs dun disque
Manipulation dun disque
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Architectures des systèmes

• Nature des problèmes de conception des systèmes
  dexploitation
• Maintenir la cohérence entre les composants
  système ? Génie Logiciel
• Assurer une gestion asynchrone des matériels ?
  Traitements sous IT, mécanismes Temps Réel
• Prémunir les applications des défaillances
  matérielles ? Technologies tels que Mécanismes
  Transactionnels
• Allouer et Réserver les ressources matérielles
• ? gestion des étreintes fatales, disponibilité
• Assurer la tolérance aux défaillances des
  applications ? Sécurité Innocuité des
  applications

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Systèmes événementiels

• Principes
• Définir les systèmes dinformation en terme de
  réaction plutôt quen terme daction.
• Une grandes partie des programmes dun système
  dexploitation sont conçus sur ce principe. Ils
  réagissent à des événements matériels
  (Interruptions cartes réseaux, claviers,
  synchro-vidéo, etc.)
• La mise en uvre de certaines applications si
  prête aussi e.g. Interfaces graphiques.
• ? Ne nécessite pas de système multi-tâche.

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Systèmes événementiels-mise en uvre-

• Problème Saturation événementielle

réseau
idle
réseau
idle
disque
réseau
Solution Files dévénements
process
idle
rsx
dsk
idle
rsx
rsx
file
rsx
dsk
dsk
rsx
dsk
rsx
rsx
rsx
dsk
rsx
rsx
interrupt
? Introduction de systèmes multi-tâches
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Systèmes événementiels-mise en uvre-

• Bénéfice des paradigmes événementiels sur la
  conception des applications Canevas applicatif
• On ne vous donne plus une liste de procédures
  du système que vous pouvez appeler pour concevoir
  votre application on vous donne une liste de
  procédures que le système appellera sur votre
  application en temps utiles.

Canevas
Application
Système
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Systèmes à base de flux

• Principes
• Représentation des données à traiter sous forme
  de flux (e.g. sockets, fichiers, tubes, )
• Activités du système dinformation appliquer
  des transformations sur un flux de données
  entrantes pour produire un flux de données
  sortantes(e.g. les flux Unix ps -aux grep
  grimaud sort )
• Avantage de ces architectures
• Synchronisation implicite des différentes
  activités par les données
• Autorégulation de la charge de calcul entre les
  différents procédés de transformation des flux

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Systèmes à base de flux

• Les différentes activités sont exprimées par des
  processus différents. Chaque processus consomme
  des données dans un (ou plusieurs) flux entrant
  et génère des résultats dans un flux sortant.

Pilotescarte réseau
IP
TCP
Décodeur Mpeg
File dattenteMontées IP
File dattentesocket
File dattentesortie graphique
Tamponcarte réseau
File dattenteentrées paquets IP
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Systèmes à base de flux-mise en uvre-

• Première stratégie
• Chaque transformation est assurée par un
  processus distinct.
• Chaque processus puise ses données dentrée dans
  un flux entrant et génère ses résultats dans un
  flux de données sortantes
• Les flux assurent une synchronisation implicite
  entre les activités.

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Systèmes à base de flux-mise en uvre-

• implémentation événementielle des algorithmes de
  traitement de flux

Etat SlIP
Etat IP
Etat TCP
Interruption
SlIPReceiveByte(char c)
IPReceiveByte(char c)
TCPReceiveByte(int source, char c)
C0 13 DB DC 12 C0
13 C0 12
(13, )
13
Les architectures monolithiques

• Fournir un logiciel de base formant
  un tout cohérent et fiable

Espace utilisateur application
Application A

Interface Sécurité contrôle daccès
Système dexploitation
Abstracteurs
Espace système Noyau du système
Gestionnaires
Matériel
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Architecture des micro-noyaux

• Small is beautiful
• effort c ? (object size)1,5 BRO75A

effort
object size
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Architecture des micro-noyaux-mise en oeuvre-

• Limiter les abstractions fournies par le noyau.
• Faciliter la réalisation de nouvelles
  abstractions à partir de celles fournies par le
  noyau.

Application A
Application B
Espace utilisateur applications
Abstracteur ?
Abstracteur ?
Interface Sécurité contrôle daccès
Micro-noyau
Gestionnaires
Espace système Micro-Noyau
Matériel
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Abstraction et machines virtuelles

• Objectifs
• Portabilité (binaire) du code
• Universalité de la plateforme
• Vérification de codes binaires
• ? Idéal surcouche de micro-noyau
• Pratiques
• Indépendance des systèmes dexploitation (sic!)
• Surcouche de système monolithique voir
  Surcouche dapplications type navigateurs
• ? Support de code mobile

java
lisp
Machine Virtuelle
i86
ARM7
17
Abstraction et machines virtuelles

• Les composants de base dune VM Java
• (i) Chargeur de code, (ii) interprète, (iii)
  Mémoire à Objets, (iv) Interface OS

Espace applicatif
Chargeur de code
Interfacesystème
MémoireObjet
Interprète / JITS
Application VM Java
Autre Application
Système dexploitation
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Virtualisation des ressources matérielles

• Objectifs
• Extensibilité des noyaux (pilotes)
• Support Multi-systèmes
• Tolérance aux pannes systèmes
• Principes
• Virtualisation des ressources matérielles
• Multiplexage Démultiplexage
• Interception isolation matérielle

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Virtualisation des ressources matérielles

• Matériel Virtuel
• Simuler le fonctionnement dun matériel sur un
  autre matériel
• RAM dans un disque dur
• Microprocesseur ARM sur Microprocesseur Intel
• TLB R4000 sur MMU Intel
• Fonctionnement Matériel muliplexé/démultiplexé
• 1 paquet Ethernet entrant? plusieurs systèmes
  pour le traiter
• 1 mémoire vidéo par système? plusieurs mémoires
  vidéo pour les systèmes
• Interception et isolation des accès matériels
• 1 disque x secteurs ? 1 secteur ne peut
  appartenir à plusieurs systèmes en même temps

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Virtualisation des ressources -mise en uvre-

• Stratégie Emulateur (e.g. VMWare)

AutreApplication
Application 1
Application 2

Système dexploitation
Disque
Mémoirede travail
Connexion réseau
Processeur
Emulateur
Fonctionnement simulé sur une autre machine, dans
une application.
Système dexploitation
Disque
Connexion réseau
Mémoirede travail
Processeur
Fonctionnement réel supporté par des mécanismes
électroniques.
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Virtualisation des ressources -mise en uvre-

• Stratégie Exo-noyau (e.g. Aegis)

Application 1
Application 2
Application 1
Application 2
Système dexploitation A
Système dexploitation B
Disque
Disque
Mémoirede travail
Connexion réseau
Mémoirede travail
Connexion réseau
Processeur
Processeur
Fonctionnement démultiplexé du matériel
Fonctionnement démultiplexé du matériel
Exo-noyau (multiplexage isolation)
Disque
Connexion réseau
Mémoirede travail
Processeur
Fonctionnement réel supporté par des mécanismes
électroniques.