OS - Maîtriser les Bases des Systèmes d'Exploitation

Ce cours sur les systèmes d'exploitation (OS) couvre les concepts fondamentaux et les compétences essentielles pour comprendre et maîtriser le fonctionnement des systèmes d'exploitation modernes. Il vise à familiariser les apprenants avec les principes de base des OS, tels que leur rôle d'interface entre le matériel et les logiciels, leur composition (noyau, bibliothèques, outils système) et leur gestion des ressources. Le support de cours, disponible en PDF gratuitement (48 pages par Thierry Vaira), offre un contenu clair et structuré pour faciliter l'apprentissage autonome. Les objectifs incluent l'acquisition des connaissances nécessaires pour suivre les évolutions technologiques futures, ainsi que la compréhension des mécanismes clés comme la coordination des programmes applicatifs et l'utilisation optimale du matériel. Ce PDF est idéal pour les étudiants et professionnels souhaitant approfondir leur maîtrise des systèmes d'exploitation, avec des exemples concrets et une approche pédagogique accessible.

Contenus explorés en détail

Ce cours approfondit les concepts clés des systèmes d'exploitation modernes, en couvrant leur architecture, leur gestion des ressources et leur rôle dans l'exécution des applications. Les participants exploreront les mécanismes de gestion de la mémoire, des processus, des fichiers et des périphériques, ainsi que les principes de sécurité et de virtualisation. Une attention particulière est portée sur les différences entre les OS grand public (Windows, macOS) et les systèmes embarqués ou serveurs (Linux, Unix).

• Comprendre l'architecture et les composants fondamentaux d'un OS
• Maîtriser les techniques de gestion des ressources et d'ordonnancement des tâches
• Analyser les enjeux de sécurité et de performance dans les systèmes contemporains

Public concerné par ce PDF

Ce document s'adresse aux étudiants en informatique, aux développeurs système et aux professionnels IT souhaitant consolider leurs connaissances sur les OS. Les administrateurs réseau et les ingénieurs en cybersécurité y trouveront également des éléments pertinents pour optimiser les infrastructures. Les autodidactes préparant des certifications (CompTIA, Linux+) bénéficieront des explications techniques détaillées.

Exemples pratiques et applications réelles

Les connaissances acquises permettent par exemple de diagnostiquer des conflits de ressources entre applications, configurer des serveurs web sous Linux, ou sécuriser des postes de travail contre les malware. Un scénario courant : optimiser l'utilisation CPU d'un serveur en ajustant les priorités des processus via des commandes comme nice sous Unix. Autre cas : implémenter un système de quotas disque pour gérer l'espace stockage en entreprise.

Secteurs d'application professionnelle

• Cloud Computing : Les OS légers (CoreOS, RancherOS) orchestrent les conteneurs Docker ; ex : Kubernetes utilise des fonctionnalités noyau Linux pour isoler les pods.
• Industrie 4.0 : Les RTOS (Real-Time OS) garantissent des temps de réponse critiques ; ex : VxWorks contrôle les robots d'assemblage automobile.
• Cybersécurité : Les mécanismes OS comme ASLR (Address Space Layout Randomization) protègent contre les exploits ; ex : Windows Defender utilise le sandboxing.

Nouveauté 2025 : L'intégration croissante de modules IA dans les noyaux (ex : Linux Scheduler optimisé par ML pour les datacenters).

Guide des termes importants

• Noyau (Kernel) : Composant central de l'OS gérant les ressources matérielles et les communications entre logiciels.
• Ordonnanceur (Scheduler) : Algorithme déterminant l'ordre d'exécution des processus sur le CPU.
• System Call : Interface permettant aux applications d'accéder aux services du noyau de manière sécurisée.
• Virtualisation : Technique permettant d'exécuter plusieurs OS simultanément sur une même machine physique.
• Swap : Mémoire virtuelle utilisant l'espace disque comme extension de la RAM.
• Daemon : Processus système s'exécutant en arrière-plan (ex : serveur web Apache).
• RTOS : Système d'exploitation temps réel garantissant des délais d'exécution prédictifs.
• Microkernel : Architecture OS minimale déléguant les services à des modules externes.
• Page Fault : Interruption déclenchée lorsqu'un processus tente d'accéder à une page mémoire non chargée.
• Interrupt : Signal matériel ou logiciel notifiant l'OS d'un événement nécessitant une attention immédiate.

Réponses aux questions fréquentes

Quelle est la différence entre Windows et Linux ?
Windows est un OS propriétaire optimisé pour les postes clients, avec une interface graphique dominante. Linux est open-source, modulaire, et privilégie les lignes de commande, ce qui le rend populaire pour les serveurs et l'embarqué.

Comment un OS gère-t-il la mémoire ?
Via la pagination (division en blocs fixes) et la segmentation (blocs variables), avec des algorithmes comme LRU (Least Recently Used) pour optimiser les accès.

Pourquoi virtualiser un OS ?
Pour isoler des environnements (sécurité), tester des configurations sans risque, ou optimiser l'utilisation du matériel (ex : cloud avec VMware ESXi).

Qu'est-ce qu'un deadlock ?
Situation où deux processus s'attendent mutuellement pour libérer des ressources, bloquant indéfiniment le système. Solution classique : l'ordonnancement par priorité.

Comment choisir un OS embarqué ?
Critères : empreinte mémoire, support matériel, déterminisme (pour les RTOS), et écosystème d'outils de développement (ex : Yocto pour Linux embarqué).

Exercices appliqués et études de cas

Projet 1 : Benchmark d'ordonnanceurs Linux
1. Installer Ubuntu Server sur une machine virtuelle
2. Modifier le scheduler via sysctl kernel.sched_algorithm (CFS, FIFO, RR)
3. Exécuter des tests de charge avec stress-ng et mesurer les latences
4. Analyser les résultats avec perf stat et proposer des optimisations pour un cas d'usage spécifique (ex : serveur de base de données).

Projet 2 : Simulation de mémoire virtuelle
1. Implémenter en Python un simulateur de gestion de pages mémoire
2. Comparer les algorithmes FIFO vs Clock sur des traces d'accès réelles
3. Visualiser les taux de défaut de page pour différentes tailles de RAM virtuelle.

Étude de cas : Migration vers un RTOS industriel
Analyser les étapes pour remplacer un OS généraliste par FreeRTOS sur un contrôleur industriel, en identifiant les contraintes temps-réel (garantie de latence < 1ms) et les adaptations nécessaires pour les pilotes périphériques.