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3. Fondamentaux

3.1 Qu'est-ce que noyau?

Le noyau est le "coeur" de n'importe quel système informatique: c'est le "logiciel" qui permet aux utilisateurs de partager des ressources de informatique.

On peut penser le noyau comme le logiciel principal du SE (Système d'Exploitation ou OS pour Operating System en anglais), qui peut également inclure la gestion de graphiques.

Par exemple, sous Linux (comme d'autres Unix), l'environnement de XWindow n'appartient pas au noyau, parce qu'il contrôle seulement des opérations graphiques (il utilise l' E/S du Mode Utilisateur pour accéder à la carte vidéo).

Par contre, les environnements de Windows (Win9x, WinME, WinNT, Win2K, WinXP, etc...) sont un mélange entre environnement graphique et noyau.

3.2 Quelle est la différence entre Mode Utilisateur et Mode Noyau?

Vue d'ensemble

Il y a quelques années, quand les ordinateurs étaient aussi grands qu'une pièce, les applications utilisateur tournaient avec beaucoup de difficulté et, parfois, faisaient planter l'ordinateur.

Modes Opérationnel

Pour éviter d'avoir des applications qui plantent constamment, les nouveaux SE ont été conçus avec 2 modes opérationnels:

  1. Mode Noyau: la machine fonctionne avec une structure de données critique, matériel direct (entrée/sortie ou mémoire tracée), mémoire directe, IRQ, DMA, etc...
  2. Mode Utilisateur: les utilisateurs peuvent faire tourner des applications.
                      
               |          Applications           /|\
               |         ______________           |
               |         | User Mode  |           |  
               |         ______________           | 
               |               |                  |  
Implementation |        _______ _______           |   Abstraction
    Detail     |        | Kernel Mode |           |
               |        _______________           |
               |               |                  |
               |               |                  | 
               |               |                  |
              \|/          Hardware               |

Le Mode Noyau "empêche" les applications de Mode Utilisateur d'endommager le système ou ses dispositifs.

Les microprocesseurs modernes implémentent dans le matériel au moins 2 états différents. Par exemple sous Intel, 4 états déterminent le PL (niveau de privilège). Il est possible d'utiliser 0.1.2.3 états, avec 0 utilisé pour le Mode Noyau.

Le SE Unix requiert seulement 2 niveaux de privilège, et nous utiliserons un tel paradigme comme point de référence.

3.3 Commutation du Mode Utilisateur au Mode Noyau

Quand commutons-nous?

Une fois que nous avons compris qu'il y a 2 modes différents, nous devons savoir quand nous passons de l'un à l'autre.

Typiquement, il y a 2 points de commutation:

  1. Quand on appelle un Appel Système: après avoir appelé un Appel Système, la Tâche appelle volontairement des des bouts de code résidant en Mode Noyau.
  2. Quand une IRQ (ou exception) arrive: après l'IRQ un gestionnaire d'IRQ (ou gestionnaire d'exception) est appelé, alors le contrôle revient à la Tâche qui a été interrompue comme si rien ne s'était passé.

Appels Système

Les Appels Système sont comme des fonctions spéciales qui gèrent les routines du SE qui résident en Mode Noyau.

Un Appel Système peut être appelé quand nous:

                                 |                |
                         ------->| System Call i  | (Accessing Devices)
|                |       |       |  [sys_read()]  |
| ...            |       |       |                |
| system_call(i) |--------       |                |
|   [read()]     |               |                |
| ...            |               |                |
| system_call(j) |--------       |                |  
|   [get_pid()]  |       |       |                |
| ...            |       ------->| System Call j  | (Accessing kernel data structures)
|                |               |  [sys_getpid()]|
                                 |                | 
 
    USER MODE                        KERNEL MODE
 
  
                        Unix System Calls Working

Les Appels Système sont presque la seule interface utilisée par le Mode Utilisateur pour dialoguer avec des ressources de bas niveau (matériel). La seule exception à cette règle est quand un processus utilise l'Appel Système ''ioperm''. Dans ce cas le processus en Mode Utilisateur peut accéder directement à un périphérique (les IRQs ne peuvent pas être utilisées).

NOTE: Toutes les fonctions ''C'' ne sont pas des Appels Système, seulement certaines d'entre-elles.

Ci-dessous une liste d'Appels Système du noyau 2,4,17 de Linux, de [ arch/i386/kernel/entry.S ]

        .long SYMBOL_NAME(sys_ni_syscall)       /* 0  -  old "setup()" system call*/
        .long SYMBOL_NAME(sys_exit)
        .long SYMBOL_NAME(sys_fork)
        .long SYMBOL_NAME(sys_read)
        .long SYMBOL_NAME(sys_write)
        .long SYMBOL_NAME(sys_open)             /* 5 */
        .long SYMBOL_NAME(sys_close)
        .long SYMBOL_NAME(sys_waitpid)
        .long SYMBOL_NAME(sys_creat)
        .long SYMBOL_NAME(sys_link)
        .long SYMBOL_NAME(sys_unlink)           /* 10 */
        .long SYMBOL_NAME(sys_execve)
        .long SYMBOL_NAME(sys_chdir)
        .long SYMBOL_NAME(sys_time)
        .long SYMBOL_NAME(sys_mknod)
        .long SYMBOL_NAME(sys_chmod)            /* 15 */
        .long SYMBOL_NAME(sys_lchown16)
        .long SYMBOL_NAME(sys_ni_syscall)                               /* old break syscall holder */
        .long SYMBOL_NAME(sys_stat)
        .long SYMBOL_NAME(sys_lseek)
        .long SYMBOL_NAME(sys_getpid)           /* 20 */
        .long SYMBOL_NAME(sys_mount)
        .long SYMBOL_NAME(sys_oldumount)
        .long SYMBOL_NAME(sys_setuid16)
        .long SYMBOL_NAME(sys_getuid16)
        .long SYMBOL_NAME(sys_stime)            /* 25 */
        .long SYMBOL_NAME(sys_ptrace)
        .long SYMBOL_NAME(sys_alarm)
        .long SYMBOL_NAME(sys_fstat)
        .long SYMBOL_NAME(sys_pause)
        .long SYMBOL_NAME(sys_utime)            /* 30 */
        .long SYMBOL_NAME(sys_ni_syscall)                               /* old stty syscall holder */
        .long SYMBOL_NAME(sys_ni_syscall)                               /* old gtty syscall holder */
        .long SYMBOL_NAME(sys_access)
        .long SYMBOL_NAME(sys_nice)
        .long SYMBOL_NAME(sys_ni_syscall)       /* 35 */                /* old ftime syscall holder */
        .long SYMBOL_NAME(sys_sync)
        .long SYMBOL_NAME(sys_kill)
        .long SYMBOL_NAME(sys_rename)
        .long SYMBOL_NAME(sys_mkdir)
        .long SYMBOL_NAME(sys_rmdir)            /* 40 */
        .long SYMBOL_NAME(sys_dup)
        .long SYMBOL_NAME(sys_pipe)
        .long SYMBOL_NAME(sys_times)
        .long SYMBOL_NAME(sys_ni_syscall)                               /* old prof syscall holder */
        .long SYMBOL_NAME(sys_brk)              /* 45 */
        .long SYMBOL_NAME(sys_setgid16)
        .long SYMBOL_NAME(sys_getgid16)
        .long SYMBOL_NAME(sys_signal)
        .long SYMBOL_NAME(sys_geteuid16)
        .long SYMBOL_NAME(sys_getegid16)        /* 50 */
        .long SYMBOL_NAME(sys_acct)
        .long SYMBOL_NAME(sys_umount)                                   /* recycled never used phys() */
        .long SYMBOL_NAME(sys_ni_syscall)                               /* old lock syscall holder */
        .long SYMBOL_NAME(sys_ioctl)
        .long SYMBOL_NAME(sys_fcntl)            /* 55 */
        .long SYMBOL_NAME(sys_ni_syscall)                               /* old mpx syscall holder */
        .long SYMBOL_NAME(sys_setpgid)
        .long SYMBOL_NAME(sys_ni_syscall)                               /* old ulimit syscall holder */
        .long SYMBOL_NAME(sys_olduname)
        .long SYMBOL_NAME(sys_umask)            /* 60 */
        .long SYMBOL_NAME(sys_chroot)
        .long SYMBOL_NAME(sys_ustat)
        .long SYMBOL_NAME(sys_dup2)
        .long SYMBOL_NAME(sys_getppid)
        .long SYMBOL_NAME(sys_getpgrp)          /* 65 */
        .long SYMBOL_NAME(sys_setsid)
        .long SYMBOL_NAME(sys_sigaction)
        .long SYMBOL_NAME(sys_sgetmask)
        .long SYMBOL_NAME(sys_ssetmask)
        .long SYMBOL_NAME(sys_setreuid16)       /* 70 */
        .long SYMBOL_NAME(sys_setregid16)
        .long SYMBOL_NAME(sys_sigsuspend)
        .long SYMBOL_NAME(sys_sigpending)
        .long SYMBOL_NAME(sys_sethostname)
        .long SYMBOL_NAME(sys_setrlimit)        /* 75 */
        .long SYMBOL_NAME(sys_old_getrlimit)
        .long SYMBOL_NAME(sys_getrusage)
        .long SYMBOL_NAME(sys_gettimeofday)
        .long SYMBOL_NAME(sys_settimeofday)
        .long SYMBOL_NAME(sys_getgroups16)      /* 80 */
        .long SYMBOL_NAME(sys_setgroups16)
        .long SYMBOL_NAME(old_select)
        .long SYMBOL_NAME(sys_symlink)
        .long SYMBOL_NAME(sys_lstat)
        .long SYMBOL_NAME(sys_readlink)         /* 85 */
        .long SYMBOL_NAME(sys_uselib)
        .long SYMBOL_NAME(sys_swapon)
        .long SYMBOL_NAME(sys_reboot)
        .long SYMBOL_NAME(old_readdir)
        .long SYMBOL_NAME(old_mmap)             /* 90 */
        .long SYMBOL_NAME(sys_munmap)
        .long SYMBOL_NAME(sys_truncate)
        .long SYMBOL_NAME(sys_ftruncate)
        .long SYMBOL_NAME(sys_fchmod)
        .long SYMBOL_NAME(sys_fchown16)         /* 95 */
        .long SYMBOL_NAME(sys_getpriority)
        .long SYMBOL_NAME(sys_setpriority)
        .long SYMBOL_NAME(sys_ni_syscall)                               /* old profil syscall holder */
        .long SYMBOL_NAME(sys_statfs)
        .long SYMBOL_NAME(sys_fstatfs)          /* 100 */
        .long SYMBOL_NAME(sys_ioperm)
        .long SYMBOL_NAME(sys_socketcall)
        .long SYMBOL_NAME(sys_syslog)
        .long SYMBOL_NAME(sys_setitimer)
        .long SYMBOL_NAME(sys_getitimer)        /* 105 */
        .long SYMBOL_NAME(sys_newstat)
        .long SYMBOL_NAME(sys_newlstat)
        .long SYMBOL_NAME(sys_newfstat)
        .long SYMBOL_NAME(sys_uname)
        .long SYMBOL_NAME(sys_iopl)             /* 110 */
        .long SYMBOL_NAME(sys_vhangup)
        .long SYMBOL_NAME(sys_ni_syscall)       /* old "idle" system call */
        .long SYMBOL_NAME(sys_vm86old)
        .long SYMBOL_NAME(sys_wait4)
        .long SYMBOL_NAME(sys_swapoff)          /* 115 */
        .long SYMBOL_NAME(sys_sysinfo)
        .long SYMBOL_NAME(sys_ipc)
        .long SYMBOL_NAME(sys_fsync)
        .long SYMBOL_NAME(sys_sigreturn)
        .long SYMBOL_NAME(sys_clone)            /* 120 */
        .long SYMBOL_NAME(sys_setdomainname)
        .long SYMBOL_NAME(sys_newuname)
        .long SYMBOL_NAME(sys_modify_ldt)
        .long SYMBOL_NAME(sys_adjtimex)
        .long SYMBOL_NAME(sys_mprotect)         /* 125 */
        .long SYMBOL_NAME(sys_sigprocmask)
        .long SYMBOL_NAME(sys_create_module)
        .long SYMBOL_NAME(sys_init_module)
        .long SYMBOL_NAME(sys_delete_module)
        .long SYMBOL_NAME(sys_get_kernel_syms)  /* 130 */
        .long SYMBOL_NAME(sys_quotactl)
        .long SYMBOL_NAME(sys_getpgid)
        .long SYMBOL_NAME(sys_fchdir)
        .long SYMBOL_NAME(sys_bdflush)
        .long SYMBOL_NAME(sys_sysfs)            /* 135 */
        .long SYMBOL_NAME(sys_personality)
        .long SYMBOL_NAME(sys_ni_syscall)       /* for afs_syscall */
        .long SYMBOL_NAME(sys_setfsuid16)
        .long SYMBOL_NAME(sys_setfsgid16)
        .long SYMBOL_NAME(sys_llseek)           /* 140 */
        .long SYMBOL_NAME(sys_getdents)
        .long SYMBOL_NAME(sys_select)
        .long SYMBOL_NAME(sys_flock)
        .long SYMBOL_NAME(sys_msync)
        .long SYMBOL_NAME(sys_readv)            /* 145 */
        .long SYMBOL_NAME(sys_writev)
        .long SYMBOL_NAME(sys_getsid)
        .long SYMBOL_NAME(sys_fdatasync)
        .long SYMBOL_NAME(sys_sysctl)
        .long SYMBOL_NAME(sys_mlock)            /* 150 */
        .long SYMBOL_NAME(sys_munlock)
        .long SYMBOL_NAME(sys_mlockall)
        .long SYMBOL_NAME(sys_munlockall)
        .long SYMBOL_NAME(sys_sched_setparam)
        .long SYMBOL_NAME(sys_sched_getparam)   /* 155 */
        .long SYMBOL_NAME(sys_sched_setscheduler)
        .long SYMBOL_NAME(sys_sched_getscheduler)
        .long SYMBOL_NAME(sys_sched_yield)
        .long SYMBOL_NAME(sys_sched_get_priority_max)
        .long SYMBOL_NAME(sys_sched_get_priority_min)  /* 160 */
        .long SYMBOL_NAME(sys_sched_rr_get_interval)
        .long SYMBOL_NAME(sys_nanosleep)
        .long SYMBOL_NAME(sys_mremap)
        .long SYMBOL_NAME(sys_setresuid16)
        .long SYMBOL_NAME(sys_getresuid16)      /* 165 */
        .long SYMBOL_NAME(sys_vm86)
        .long SYMBOL_NAME(sys_query_module)
        .long SYMBOL_NAME(sys_poll)
        .long SYMBOL_NAME(sys_nfsservctl)
        .long SYMBOL_NAME(sys_setresgid16)      /* 170 */
        .long SYMBOL_NAME(sys_getresgid16)
        .long SYMBOL_NAME(sys_prctl)
        .long SYMBOL_NAME(sys_rt_sigreturn)
        .long SYMBOL_NAME(sys_rt_sigaction)
        .long SYMBOL_NAME(sys_rt_sigprocmask)   /* 175 */
        .long SYMBOL_NAME(sys_rt_sigpending)
        .long SYMBOL_NAME(sys_rt_sigtimedwait)
        .long SYMBOL_NAME(sys_rt_sigqueueinfo)
        .long SYMBOL_NAME(sys_rt_sigsuspend)
        .long SYMBOL_NAME(sys_pread)            /* 180 */
        .long SYMBOL_NAME(sys_pwrite)
        .long SYMBOL_NAME(sys_chown16)
        .long SYMBOL_NAME(sys_getcwd)
        .long SYMBOL_NAME(sys_capget)
        .long SYMBOL_NAME(sys_capset)           /* 185 */
        .long SYMBOL_NAME(sys_sigaltstack)
        .long SYMBOL_NAME(sys_sendfile)
        .long SYMBOL_NAME(sys_ni_syscall)               /* streams1 */
        .long SYMBOL_NAME(sys_ni_syscall)               /* streams2 */
        .long SYMBOL_NAME(sys_vfork)            /* 190 */
        .long SYMBOL_NAME(sys_getrlimit)
        .long SYMBOL_NAME(sys_mmap2)
        .long SYMBOL_NAME(sys_truncate64)
        .long SYMBOL_NAME(sys_ftruncate64)
        .long SYMBOL_NAME(sys_stat64)           /* 195 */
        .long SYMBOL_NAME(sys_lstat64)
        .long SYMBOL_NAME(sys_fstat64)
        .long SYMBOL_NAME(sys_lchown)
        .long SYMBOL_NAME(sys_getuid)
        .long SYMBOL_NAME(sys_getgid)           /* 200 */
        .long SYMBOL_NAME(sys_geteuid)
        .long SYMBOL_NAME(sys_getegid)
        .long SYMBOL_NAME(sys_setreuid)
        .long SYMBOL_NAME(sys_setregid)
        .long SYMBOL_NAME(sys_getgroups)        /* 205 */
        .long SYMBOL_NAME(sys_setgroups)
        .long SYMBOL_NAME(sys_fchown)
        .long SYMBOL_NAME(sys_setresuid)
        .long SYMBOL_NAME(sys_getresuid)
        .long SYMBOL_NAME(sys_setresgid)        /* 210 */
        .long SYMBOL_NAME(sys_getresgid)
        .long SYMBOL_NAME(sys_chown)
        .long SYMBOL_NAME(sys_setuid)
        .long SYMBOL_NAME(sys_setgid)
        .long SYMBOL_NAME(sys_setfsuid)         /* 215 */
        .long SYMBOL_NAME(sys_setfsgid)
        .long SYMBOL_NAME(sys_pivot_root)
        .long SYMBOL_NAME(sys_mincore)
        .long SYMBOL_NAME(sys_madvise)
        .long SYMBOL_NAME(sys_getdents64)       /* 220 */
        .long SYMBOL_NAME(sys_fcntl64)
        .long SYMBOL_NAME(sys_ni_syscall)       /* reserved for TUX */
        .long SYMBOL_NAME(sys_ni_syscall)       /* Reserved for Security */
        .long SYMBOL_NAME(sys_gettid)
        .long SYMBOL_NAME(sys_readahead)        /* 225 */

Evènement IRQ

Quand arrive une IRQ, la Tâche qui tourne est interrompue pour servir (in order to service) le gestionnaire d'IRQ.

Après que l'IRQ soit gérée, le contrôle retourne exactement au point de l'interruption, comme si rien ne s'était passé.


           
              Running Task 
             |-----------|          (3)
NORMAL       |   |       | [break execution] IRQ Handler
EXECUTION (1)|   |       |     ------------->|---------| 
             |  \|/      |     |             |  does   |         
 IRQ (2)---->| ..        |----->             |  some   |      
             |   |       |<-----             |  work   |       
BACK TO      |   |       |     |             |  ..(4). |
NORMAL    (6)|  \|/      |     <-------------|_________|
EXECUTION    |___________|  [return to code]
                                    (5)
               USER MODE                     KERNEL MODE

         Transition Mode Utilisateur->Noyau causée par un évènement IRQ

Les pas énumérés plus bas se réfèrent à la séquence des évènements dans le diagramme au-dessus/

  1. Le processus est exécuté
  2. l'IRQ arrive alors que la Tâche tourne.
  3. La Tâche est interrompue pour appeler un "gestionnaire d'Interruption".
  4. Le code du "gestionnaire d'Interruption" est exécuté.
  5. Le contrôle revient à la Tâche en mode utilisateur (comme si rien ne s'était passé)
  6. Le processus revient à une exécution normale

Un point spécialement intéressant, l'IRQ Timer, qui se produit à chaque TIMER ms pour gérer:

  1. Alarmes
  2. Compteurs systèmes and Tâches (utilisé par un programmes pour décider quand arrêter un processus ou pour comptage (for accounting))
  3. Le mutiTâche basé sur un mécanisme d'éveil après un temps TIMESLICE.

3.4 Multitache

Mécanisme

Le point central d'un SE moderne est la "Tâche". La Tâche est une application qui tourne en mémoire en partageant toutes ressources (y compris CPU =processeur et mémoire) avec les autres Tâches.

Cette "ressource partagée" est gérée par le "Mécanisme MultiTâche". Le Mécanisme MultiTâche passe d'une Tâche à une autre après un "timeslice" (temps de glissement). Les utilisateurs ont l'"illusion" qu'ils possèdent toutes les ressources. On peut aussi imaginer un scénario simple utilisateur, quand un utilisateur paut avoir l'"illusion" de faire tourner plusieurs Tâches en même temps.

Pour implémenter ce multitâche, la Tâche utilise la variable d'"état" ("the state" variable), qui peut être:

  1. READY, prêt pour exécution
  2. BLOCKED, en attente d'une ressource

L'état de la Tâche est géré par sa présence dans une liste relative: liste READY et liste BLOCKED.

Changement de Tâche

Le mouvement d'une Tâche à l'autre est appelé ''Task Switching'' (Changement de Tâche). plusieurs ordinateurs ont une instruction matérielle qui réalise automatiquement cette opération. Le Changement de Tâche se produit dans les cas suivants:

  1. Après la fin d'un Timeslice: nous devons programmer une Tâche "Prête à exécution" et lui donner accès (schedule a "Ready for execution" task and give it access).
  2. Quand une Tâche doit attendre un périphérique: nous devons programmer une nouvelle Tâche et l'y brancher *

* Nous programmons une autre Tâche pour éviter "Busy Form Waiting" (forme occupée en attente), qui se produit quand nous attendons un périphérique au lieu de réaliser un autre travail.

Le Changement de Tâche est géré par l'entité "Schedule" (Programme).

 
Timer    |           |
 IRQ     |           |                            Schedule
  |      |           |                     ________________________
  |----->|   Task 1  |<------------------>|(1)Chooses a Ready Task |
  |      |           |                    |(2)Task Switching       |
  |      |___________|                    |________________________|   
  |      |           |                               /|\
  |      |           |                                | 
  |      |           |                                |
  |      |           |                                |
  |      |           |                                |      
  |----->|   Task 2  |<-------------------------------|
  |      |           |                                |
  |      |___________|                                |
  .      .     .     .                                .
  .      .     .     .                                .
  .      .     .     .                                .
  |      |           |                                |
  |      |           |                                |
  ------>|   Task N  |<--------------------------------
         |           |
         |___________| 
    
            Changement de Tâche basé sur un glissement de temps (TimeSlice)

Un Glissement de temps typique pour linux est environ 10ms.


 

 |           |            
 |           | Resource    _____________________________
 |   Task 1  |----------->|(1) Enqueue Resource request |
 |           |  Access    |(2)  Mark Task as blocked    |
 |           |            |(3)  Choose a Ready Task     |
 |___________|            |(4)    Task Switching        |
                          |_____________________________|
                                       |
                                       |
 |           |                         |
 |           |                         |
 |   Task 2  |<-------------------------
 |           |  
 |           |
 |___________|
 
     Changement de Tâche basé sur l'Attente d'une Ressource

3.5 Micronoyau vs SE Monolithique

Vue d'ensemble

Jusqu'à maintenant nous avons vus le SE appelé Monolithique, mais il y a aussi une autre sorte de SE: ''Micronoyau''.

Un Micronoyau utilise des Tâches, pas seulement pour les processus en mode utilisateur, mais aussi comme un vrai gestionnaire de noyau, comme Tâche-Disquette, Tâche-DD, Tâche-Réseau etc. Quelques exemples sont Amoeba, et Mach.

POURS et CONTRES le SE Micronoyau

POURS:

CONTRES:

Mon opinion personnelle est que, les Micronoyaux sont un bon exemple didactique (comme Minix) mais ils ne sont pas "optimums", aussi ils ne sont pas réellement convenables. Linux utilise quelques Tâches, appelées "Fils Noyau" pour implémenter une petite structure Micronoyau (comme kswapd, qui est utilisé pour récupérer les pages mémoire du stockage de masse). Dans ce cas il n'y a aucun problème de performance parce que le glissement (swapping) est un travail très lent.

3.6 Réseau

Niveaux ISO OSI

Le standard ISO-OSI décrit une architecture réseau avec les niveaux suivants:

  1. Niveau physique (exemples: PPP et Ethernet)
  2. Niveau lien-donnée (Data-link) (exemples: PPP et Ethernet)
  3. Niveau réseau (Network) (exemples: IP, et X.25)
  4. Niveau transport (exemples: TCP, UDP)
  5. Niveau session (SSL)
  6. Niveau présentation (FTP codé binaire-ascii)
  7. Niveau application (applications comme Netscape)

Les 2 premiers niveaux lités ci-dessus sont souvent implémentés dans le matériel. Les niveaux suivants sont dans le logiciel (ou firmware (matériel spécifiques?) pour les routeurs).

Plusieurs protocoles sont utilisés par un SE: un d'eux est TCP/IP (le plus important qui réside aux niveaux 3-4).

Que fait le noyau?

Le noyau ne sait rien faire des 2 premiers niveaux de ISO-OSI.

Au RX il:

  1. Il gère (handshake) les périphériques de bas niveau (comme carte ethernet ou modem) en recevant des "cadres" (frames) de leur part.
  2. Il construit des "paquets" TCP/IP à partir des "cadres" (comme ceux d'Ethernet ou de PPP).
  3. Convertit des ''paquets'' dans des ''connexions'' en les passant à la bonne application (grâce au numéro de port) ou
  4. Transmet des paquets à la bonne queue
(cadres)       (paquets)            (connexions)
frames         packets              sockets
NIC ---------> Kernel ----------> Application
                 (Noyau)
                  |    packets
                  --------------> Forward
                        - RX -       (Transmission)

Au stage TX il:

  1. Convertit des connexions ou
  2. Des données de queues (Queues datas) dans des ''paquets'' TCP/IP
  3. Partage des ''packets" en "cadres" (comme ceux d'Ethernet ou de PPP)
  4. Envoie des ''cadres'' en utilisant des pilotes HW
(connexion)   (paquets)                   (cadres)
sockets       packets                     frames
Application ---------> Kernel ----------> NIC
              packets     /|\    
Forward  -------------------
(Transmission)          - TX -

3.7 Mémoire virtuelle

Segmentation

La segmentation est la première méthode pour résoudre les problèmes d'allocation mémoire: il vous permet de compiler du code source sans se soucier d'où l'application sera placée dans la mémoire. En fait, cette caractéristique aide les développeurs d'application à développer de façon indépendante du SE et aussi du matériel.

     
            |       Stack        |
            |          |         |
            |         \|/        |
            |        Free        | 
            |         /|\        |     Segment <---> Process    
            |          |         |
            |        Heap        |
            | Data uninitialized |
            |  Data initialized  |
            |       Code         |
            |____________________|  
 
                   Segment

Nous pouvons dire qu'un segment est l'entité logique d'une application, ou l'image de l'application en mémoire.

Quand on programme, on ne se soucie pas de où nos données sont mises en mémoire, on ne s'intéresse qu'à l'offset à l'intérieur de notre segment (notre application). (the offset inside our segment (our application))

On a l'habitude d'assigner un Segment à chaque processus et vice-versa. Avec Linux ce n'est pas vrai. Linux utilise seulement 4 segments pour chaque Noyau et tous les Processus.

Problème de Segmentation

 
                                 ____________________
                          ----->|                    |----->
                          | IN  |     Segment A      | OUT
 ____________________     |     |____________________|   
|                    |____|     |                    |   
|     Segment B      |          |     Segment B      |
|                    |____      |                    |   
|____________________|    |     |____________________|   
                          |     |     Segment C      |   
                          |     |____________________|
                          ----->|     Segment D      |-----> 
                            IN  |____________________| OUT 
 
                     Segmentation problem

Dans le diagramme au-dessus, nous voulons sortir des processus A et D et entrer dans le processus B. Comme on peut voir il y a assez d'espace pour B, mais nous ne pouvons pas le partager en 2 morceaux, aussi nous NE POUVONS PAS le charger (plus de mémoire).

La raison de ce problème est les purs segments sont des zones continues (parce que ce sont des zones logiques) et ne peuvent pas être partagées.

Pagination

 
             ____________________
            |     Page 1         |
            |____________________|
            |     Page 2         |
            |____________________| 
            |      ..            |     Segment <---> Process    
            |____________________|
            |     Page n         |
            |____________________|
            |                    |
            |____________________|
            |                    |
            |____________________|  
 
                   Segment

La Pagination partage la mémoire en "n" morceaux, chacun d'eux avec une longueur fixée.

Un processus peut être chargé en une ou plusieurs pages. Quand la mémoire est libérée, toutes les pages sont libérées (voir Problème de Segmentation, avant).

La Pagination est aussi utilisée dans un autre but important, le "Swapping" (glissement). Si une page n'est pas présente dans la mémoire physique, il génère une EXCEPTION, qui poussera le Noyau à chercher une nouvelle page dans la mémoire de stockage. Ce mécanisme permet au SE de charger plus d'applications que celles permises seulement par la mémoire physique.

Problème de Pagination

             ____________________
   Page   X |     Process Y      |
            |____________________|
            |                    |
            |       WASTE        |
            |       SPACE        |
            |____________________|  
   
            Problème de Pagination

Dans le diagramme qu-dessus, nous pouvons voir ce qui ne va pas dans la politique de pagination: quand un Processus Y se charge dans la Page X, TOUT l'espace mémoire de la Page est alloué, aussi l'espace restant à la fin de la page est perdu.

Segmentation et Pagination

Comment peut-on résoudre les problèmes de segmentation et de pagination? En utilisant les 2 politiques.

 
                                  |      ..            |
                                  |____________________|
                            ----->|      Page 1        |
                            |     |____________________|
                            |     |      ..            |
 ____________________       |     |____________________|
|                    |      |---->|      Page 2        |
|      Segment X     |  ----|     |____________________|
|                    |      |     |       ..           |
|____________________|      |     |____________________|
                            |     |       ..           |
                            |     |____________________|
                            |---->|      Page 3        |
                                  |____________________|
                                  |       ..           |

Le Processus X, identifié par le Segment X, est partagé en 3 morceaux et chacun d'eux est chargé dans une page.

Nous n'avons pas de:

  1. Problème de Segmentation: nous allouons par Pages, ainsi nous libérons aussi les Pages, et nous gérons l'espace libre de façon optimisée.
  2. Problème de Pagination: seule la dernière page perd de l'espace, mais nous pouvons décider d'utiliser de très petites pages, par exemple 4096 octets de long (perdant au maximum 4096*N_Tâches octets) et gérer une pagination hierarchisée (manage hierarchical paging) (en utilisant 2 ou 3 niveaux de pagination)
 
 

                          |         |           |         |
                          |         |   Offset2 |  Value  |
                          |         |        /|\|         |
                  Offset1 |         |-----    | |         |
                      /|\ |         |    |    | |         |
                       |  |         |    |   \|/|         | 
                       |  |         |    ------>|         |
                      \|/ |         |           |         |
 Base Paging Address ---->|         |           |         |
                          | ....... |           | ....... |
                          |         |           |         |    
 
                     Hierarchical Paging
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