Fonctionnement d’un ordinateur

1. Architecture simplifiée d’un ordinateur moderne

Le schéma présenté sur la figure 3-1 présente les principaux composants fonctionnant ensemble au sein d’un ordinateur. Il met en évidence l’importance du chipset au centre de l’architecture et son rôle dans la mise à disposition du processeur des autres composants. Nous allons détailler l’usage et le fonctionnement de chacun de ces composants et évoquer leur évolution des premiers ordinateurs aux ordinateurs modernes.

Figure 3-1 - L’architecture interne d’un ordinateur

L’architecture matérielle de nombreux ordinateurs a évolué vers une intégration croissante des composants au sein d’une seule puce, le System on Chip (SoC). Les architectures modernes, comme celles des puces ARM, Apple Silicon ou Qualcomm Snapdragon, regroupent désormais sur un même circuit le processeur, le contrôleur mémoire, la carte graphique, et parfois même les interfaces réseau.

Cette évolution rend la frontière physique entre carte mère, chipset et processeur beaucoup plus floue. Cependant, la distinction logique entre ces éléments demeure pleinement valide : chacun conserve son rôle fonctionnel et ses interactions spécifiques...

1. Architecture logicielle simplifiée d’un ordinateur moderne

Le schéma présenté...

1. Le chargement d’un processus en mémoire

Lorsqu’un utilisateur lance un programme ou processus (process en anglais), le noyau du système d’exploitation prend en charge les démarches nécessaires au chargement en mémoire de ce programme pour qu’il puisse s’exécuter. Le noyau réserve un espace dans la mémoire physique (RAM) pour héberger ce programme. Il initialise aussi l’espace de mémoire (virtuelle) du programme et organise les différentes sections, telles que la zone de code (instructions du programme) où le code machine du programme est chargé, la zone de données (variables statiques), ainsi que l’espace réservé à la pile (stack) et au tas (heap) pour les allocations dynamiques.

Nous utiliserons parfois le terme mémoire virtuelle d’ores et déjà dans cette section par souci de rigueur technique alors que nous n’avons pas encore introduit cette notion ni les mécaniques attenantes. Le lecteur peut ignorer pour l’instant cette subtilité qui sera bientôt expliquée et considérer qu’on parle simplement de la mémoire (RAM) ou consulter à l’avance la section La mémoire virtuelle.

Figure 3-6 - Les composants impliqués dans le chargement des processus en mémoire

La figure 3-6 présente les composants impliqués dans le chargement des processus en mémoire. La mémoire est représentée par la zone à droite depuis sa première adresse 0x00... à la dernière 0xFF... en hexadécimal (cette valeur étant ici purement théorique puisqu’aucun ordinateur au monde n’a suffisamment de RAM pur arriver au dernier nombre hexadécimal de l’espace d’adressage). Le noyau qui réalise ces opérations ainsi que le système de fichiers sur lequel réside le programme sont aussi indiqués.

La figure 3-7 présente le processus de chargement du programme et l’organisation résultante (layout) de l’espace...

1. L’exécution de fonctions

Lorsqu’une fonction est appelée, un cadre de fonction (function frame) est créé et poussé dans la pile d’appels (call stack) pour stocker les informations relatives à cet appel. Cette pile d’appels permet de suivre l’exécution des fonctions imbriquées et de garantir une exécution cohérente du programme lors du retour d’un appel de fonction en continuant l’exécution à l’endroit d’où elle a été appelée.

Le cadre de fonction est une section de la pile qui contient les informations spécifiques à un appel de fonction. Il inclut notamment :

1. L’allocation de mémoire

Le tas permet d’allouer de la mémoire de façon dynamique pour des structures dont la taille peut varier ou n’est pas connue à l’avance. Cette mémoire est allouée au...

1. Mémoire virtuelle et mémoire physique

La mémoire virtuelle se caractérise par le fait que les programmes ne manipulent en réalité, sans en avoir conscience, que des adresses mémoire virtuelles qui ne correspondent pas directement à des emplacements physiques en mémoire vive, mais sont traduites en adresses physiques par le processeur et le système d’exploitation.

Cette approche est particulièrement utile dans un environnement de multiprogrammation, où plusieurs programmes sont exécutés en même temps. Chaque programme peut utiliser des adresses virtuelles qui sont indépendantes des autres programmes, ce qui permet d’éviter les conflits entre eux et d’isoler leur espace mémoire respectif. Cela garantit que même si plusieurs programmes tournent simultanément, chacun pense avoir accès à une large mémoire continue et privée, alors que la mémoire physique est partagée et limitée. 

Le processeur et le noyau jouent ensemble un rôle clé dans cette traduction des adresses. Lorsqu’un programme fait référence à une adresse virtuelle, le processeur utilise un mécanisme interne pour la convertir en une adresse physique dans la RAM. Cette traduction permet au système de gérer la mémoire de manière plus flexible, en assignant des blocs de mémoire physique à différents programmes selon les besoins, tout en protégeant l’intégrité de chaque programme et en optimisant...

1. L’apparition de la multiprogrammation

L’apparition de la multiprogrammation remonte aux années 1950 et 1960, avec le développement des premiers systèmes d’exploitation avancés pour les grands ordinateurs centraux (mainframes). À cette époque, les ordinateurs étaient coûteux et les temps d’utilisation devaient être optimisés. Les premiers systèmes étaient monoprogrammés...

1. Les problèmes de concurrence

Les problèmes de concurrence surviennent lorsque plusieurs processus ou threads tentent de s’exécuter simultanément et interagissent avec des ressources partagées, comme la mémoire ou des structures de données. Dans un système concurrent, où les tâches s’exécutent de manière désordonnée ou en se chevauchant dans le temps, divers problèmes peuvent apparaître si l’accès aux ressources partagées n’est pas correctement coordonné. Parmi ces problèmes figurent les conditions de course (race conditions), où le résultat des opérations dépend de l’ordre ou du timing des processus, et des incohérences de données, quand plusieurs threads peuvent lire ou écrire des données en même temps, en écrasant leurs résultats mutuels, entraînant des valeurs incorrectes ou corrompues

Le défi principal de la concurrence est de s’assurer que, lorsque plusieurs threads ou processus accèdent à des ressources partagées, cela se fait de manière contrôlée et prévisible. C’est là qu’intervient le contrôle de la concurrence. Il s’agit d’un ensemble de techniques et de mécanismes destinés à gérer les interactions entre les opérations concurrentes afin de garantir la cohérence des données et la stabilité du système.

Figure 3-21 - Un problème classique de synchronisation de threads

2. L’exclusion mutuelle

L’exclusion mutuelle (MUTEX - MUTual EXclusion) est le concept fondamental utilisé pour résoudre les problèmes liés à la concurrence dans les systèmes où plusieurs processus ou threads accèdent à des ressources partagées. L’idée de l’exclusion mutuelle est de garantir qu’à tout moment, un seul thread peut accéder à...

1. La notion de socket

Un socket réseau est un composant logiciel qui représente un point de communication, un « tuyau » virtuel pour l’envoi et la réception de données à travers un réseau.

Elle constitue une interface entre une application et la pile de protocoles réseau, permettant ainsi une communication fluide entre différents ordinateurs ou dispositifs sur le réseau. La structure et les propriétés d’un socket sont définies par une API (Application Programming Interface), qui fait partie de l’architecture réseau et propose des primitives permettant aux applications d’interagir avec les composants du système d’exploitation qui régissent la manière dont les données transitent entre les couches de communication.

Un socket n’existe que durant la durée de vie du processus qui l’a créé. Cela signifie qu’il est initialisé et utilisé par un programme en cours d’exécution sur un ordinateur (ou nœud) pour établir une connexion et échanger des données, puis il est détruit lorsque le programme termine son exécution ou ferme explicitement la connexion.

Dans le contexte de l’Internet et des protocoles TCP/IP (Transmission Control Protocol / Internet Protocol), le terme...