Organisation du système informatique

Un système informatique moderne à usage général se compose d'un ou plusieurs processeurs et d'un certain nombre de contrôleurs de périphérique connectés via un BUS qui fournit un accès entre les périphériques et la mémoire partagée. Selon le contrôleur, plusieurs périphériques peuvent être connectés. Un contrôleur de périphérique gère une mémoire tampon locale et un ensemble de registres à usage spécial. Le contrôleur de périphérique est responsable du déplacement des données entre les périphériques qu'il contrôle et sa mémoire tampon locale.

En règle générale, les systèmes d'exploitation ont un pilote de périphérique pour chaque contrôleur de périphérique. Ce pilote de périphérique comprend le contrôleur de périphérique et fournit au reste du système d'exploitation une interface uniforme avec le périphérique. La CPU et les contrôleurs de périphérique peuvent s'exécuter en parallèle, en compétition pour les cycles de mémoire. Pour garantir un accès ordonné à la mémoire partagée, un contrôleur de mémoire synchronise l'accès à la mémoire.

Un système informatique PC typique

Les interruptions utilisées pour alerter la CPU des événements qui nécessitent une attention. Les interruptions sont un élément clé de la façon dont les systèmes d'exploitation et le matériel interagissent.

L'interruption doit transférer le contrôle à la routine de service d'interruption appropriée. La méthode simple pour gérer ce transfert serait d'appeler une routine générique pour examiner les informations d'interruption. Comme les interruptions doivent être traitées rapidement, car elles se produisent très fréquemment, une table de pointeurs (Vecteur d'interruption.) pour interrompre les routines peut être utilisée pour fournir la vitesse nécessaire.

Le mécanisme d'interruption de base fonctionne comme suit. Le matériel de CPU dispose d'un fil appelé ligne de demande d'interruption que la CPU détecte après l'exécution de chaque instruction. Lorsque la CPU détecte qu'un contrôleur a émis un signal sur la ligne de demande d'interruption, elle lit le numéro de l'interruption et passe à la routine de traitement des interruptions en utilisant ce numéro d'interruption comme index dans le vecteur d'interruption. On dit que le contrôleur de périphérique déclenche une interruption en émettant un signal sur la ligne de demande d'interruption, la CPU capte l'interruption et l'envoie au gestionnaire d'interruption, et que ce dernier efface l'interruption en desservant le périphérique.

La plupart des CPU ont deux lignes de demande d'interruption :

•   La première est l'interruption non masquable, qui est réservée aux événements tels que les erreurs de mémoire irrécupérables.
•   La deuxième ligne d'interruption est masquable : elle peut être désactivée par le CPU avant l'exécution de séquences d'instructions critiques qui ne doivent pas être interrompues. L'interruption masquable est utilisée par les contrôleurs de périphériques pour demander le service.

Pour que les travaux les plus urgents puissent être effectués en premier, les ordinateurs modernes utilisent un système de priorités d'interruption. Étant donné que les interruptions sont très utilisées pour les traitements urgents, une gestion efficace des interruptions est nécessaire pour de bonnes performances du système.

La CPU ne peut charger des instructions qu'à partir de la mémoire, de sorte que tout programme doit d'abord être chargé en mémoire pour s'exécuter. Les ordinateurs à usage général exécutent la plupart de leurs programmes à partir de la mémoire réinscriptible, appelée mémoire principale (également appelée mémoire à accès aléatoire, ou RAM).

Toutes les formes de mémoire fournissent un tableau d'octets. Chaque octet a sa propre adresse. L'interaction est obtenue grâce à une séquence d'instructions de chargement(load) ou de stockage(store) vers des adresses mémoire spécifiques.

•   L'instruction de chargement déplace un octet ou un mot de la mémoire principale vers un registre interne dans la CPU
•   L’instruction de stockage déplace le contenu d'un registre vers la mémoire principale.

Idéalement, nous voulons que les programmes et les données résident en permanence dans la mémoire principale. Cette disposition n'est généralement pas possible sur la plupart des systèmes pour deux raisons :

•   La mémoire principale est généralement trop petite pour stocker en permanence tous les programmes et données nécessaires.
•   La mémoire principale est volatile - elle perd son contenu lorsque l'alimentation est coupée ou perdue.

Ainsi, la plupart des systèmes informatiques fournissent un stockage secondaire en tant qu'extension de la mémoire principale. La principale exigence pour le stockage secondaire est qu'il puisse contenir de grandes quantités de données en permanence.

Hiérarchie des périphériques de stockage.

Une grande partie du code du système d'exploitation est consacrée à la gestion des E/S, tant en raison de son importance pour la fiabilité et les performances d'un système qu'en raison de la nature variable des périphériques.

Après avoir configuré les tampons, les pointeurs et les compteurs pour le périphérique d'E/S, le contrôleur de périphérique transfère un bloc entier de données directement vers ou depuis le périphérique et la mémoire principale, sans intervention de la CPU. Une seule interruption est générée par bloc, pour indiquer au pilote de périphérique que l'opération est terminée, plutôt qu'une interruption par octet générée pour les périphériques à faible vitesse. Pendant que le contrôleur de périphérique effectue ces opérations, la CPU est disponible pour effectuer d'autres tâches.

Certains systèmes utilisent une architecture de commutation plutôt que de bus. Sur ces systèmes, plusieurs composants peuvent communiquer avec d'autres composants simultanément, plutôt que de se disputer des cycles sur un bus partagé.