format Powerpoint - École des Mines de Saint

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Cours Architecture des Systèmes
Informatiques
Jean-Jacques Girardot
[email protected]
http://kiwi.emse.fr/ASI
Septième séance
École des Mines de Saint-Etienne. 158, cours Fauriel. 42 023 Saint-Etienne Cedex 2. Tél. 04 77 42 01 23. Fax. 04 77 42 66 66.
1
Plan: mémoire et périphériques
 Aspects
généraux, caractéristiques & besoins
 La mémoire des ordinateurs : vue matérielle
 Gestion de la mémoire, vision OS
 Périphériques
 Disque : bas niveau
 Disque : haut niveau
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2
Aspects de l’utilisation de la mémoire
 On n’a pas besoin de toute la mémoire en même
• Code du programme : la partie en cours d’exécution
• Les données : utilisation souvent localisée
 dans le temps et l’espace : variables locales
 dans le temps : allocation/libération dynamique
 utilisation par à-coups, sur des intervalles de temps courts
temps
 Utilisation irrégulière des ressources
• Loi des 90-10
 10% des données représentent 90% des accès
 (10% du code utilise 90% de la CPU)
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3
“Localité des références”
 Concept
de “localité des références”
• Sur un court laps de temps, le nombre “d’objets” utilisés est petit
 WS, Working
Set [Peter Denning, 1968]
 Programme
• Les instructions sont le plus souvent exécutées en séquences
• Les boucles tendent à faire répéter de courtes séquences
 Données
• Variables locales, tables constituent des regroupements naturels
 Mais…
Évolution au fil des temps du WS
• Comment gérer cette évolution ?
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4
Mémoire : les performances
 L’informatique a toujours besoin de mémoire plus
• La mémoire traditionnelle est lente comparée au processeur
• La mémoire rapide est très chère
• Et il en faut beaucoup…
rapide
 Mais… “localité des références”
• Optimiser l’utilisation de la mémoire ?
 Notion de hiérarchie mémoire
• Solution au dilemme coût / performances
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Registres : 0 ns
Cache 10ns
RAM : 50ns
Disque magnétique 10ms
Coût et Vitesse
Hiérarchie de
mémoire
Disque magnéto-optique 500ms
Bande magnétique minutes
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6
Gestion de cette hiérarchie
 En grande partie automatique
• Le compilateur décide, par une analyse statique du programme, quelles
données vont être temporairement conservées dans des registres, et
génère les instructions de transfert
• La CPU détermine dynamiquement, au cours de l’exécution, quelles
données de la mémoire centrale vont être placées dans le cache
• Le système d’exploitation décide de transférer entre la mémoire centrale
et le disque des portions de programmes ou de données
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7
Cache
 Un élément critique de la hiérarchie mémoire
• Taille réduite, comparée à celle de la mémoire centrale
• Vitesse d’accès proche de celle du processeur, coût élevé
• Contient des copies de parties de la mémoire centrale
 Principe de fonctionnement
• Un accès à la MC entraîne le transfert d’un bloc vers le cache (principe
de localité)
• Les éléments du bloc sont accessibles de manière performante
• Du fait de la rapidité nécessaire, la gestion du cache est entièrement
réalisée en matériel (invisible à l’OS ou aux applications)
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8
Aspects de la gestion du cache
 D’où viennent les données ?
• Associer à chaque bloc du cache son adresse MC
 Politique de transfert des blocs
• Taille des blocs
• Quel bloc “évacuer” pour en placer un nouveau ?
• A quel moment réécrire en mémoire les données modifiées ?
 Taille et technologie du cache
• Petit, rapide et cher, ou grand, meilleur marché, et plus lent ?
• Un/deux caches dans la hiérarchie ?
• Séparer instructions et données ?
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Algorithme de gestion du cache
 Mappage direct
• Le mot d’adresse xxxxYxxx se retrouve dans le bloc Y du cache
• Simple, rapide, efficace à mettre en œuvre
• Très inefficace quand deux blocs de MC se mappent au même endroit
 lourde pénalité en temps d’exécution
 Mappage associatif
• On utilise une mémoire associative, une entrée par bloc de cache
• A chaque bloc est associée sa position en mémoire
• Recherche d’un bloc à travers la mémoire associative
• Algorithmes de remplacement
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Note : mémoire associative
 Accès par contenu
• On recherche une valeur dans la mémoire
• La mémoire fournit l’adresse où se trouve la valeur
• La recherche s’effectue simultanément sur tous les éléments de la
mémoire
 Dispositif
matériel de coût élevé, conçu spécifiquement
pour chaque application
• Plus complexe
• Pas d’utilisation en grande quantité
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Algorithmes de remplacement
 Cas du seul mappage associatif
• Moins récemment utilisé (LRU, least recently used)
• File (FIFO, first in, first out)
• Moins fréquemment utilisé (LFU, least frequently used)
• Aléatoire (Random)
 Réécriture des blocs modifiés
• Écriture immédiate (Write through)
 Conformité cache/MC, écritures multiples coûteuses
• Écriture différée (Write back)
 Incohérence possible cache/MC [ex: DMA disque]
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Autres aspect de la gestion des caches
 Tailles relatives blocs, cache, MC
• Bloc : 4 à 8 “unités d’accès” de la CPU
• Cache : 1/1000 de la taille MC
 Localisation du cache
• Sur la CPU (L1, level one)
 80486 : 8 ko
 Pentium : 16 ko
 Power PC [Motorola] : 64 ko
• Cache de second niveau (L2, level two)
 Carte mère, à côté du processeur : 512 à 1024 ko
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Les unités de gestion de la mémoire
 …Ou
MMU, Memory Management Units
 Résoudre un problème récurrent : les trous de mémoire
• Comment rassembler de l’espace libre ?
• Comment déplacer des blocs de mémoire utilisée
• Comment mettre à jour des adresses dans un programme ?
 Intermédiaire entre adresses logique et physique
• Adresse logique : ce que voit et manipule le programme
• Adresse physique : où est réellement conservée la donnée
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Que va offrir une MMU ?
 Outil
matériel pour mieux gérer la mémoire physique
d’une machine
•
•
•
•
Simplifier la gestion d’un ensemble de programmes
Simplifier la gestion de la mémoire au sein d’un programme
Offrir une protection entre programmes, et au sein d’un programme
Permettre un partage physique et logique de mémoire entre plusieurs
programmes
• Simuler une mémoire physique “plus grande”
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Segmentation
 L’espace
d’adressage logique d’un programme est
partagé en segments contigus
• Transparent au programme
• Les segments sont de tailles différentes [multiples de 2k octets]
• Informations nécessaires pour chaque segment




adresse “logique” de début du segment
adresse physique effective du segment
taille du segment
informations diverses : n° programme, R/W, modifié, etc…

c.f. poly : le Z8010, pp 58-59
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Adresse logique
Pagination
Une segmentation
où tous les
segments ont même
longueur - le
dispositif le plus
fréquent.
 Taille typique : 4 à
8 ko.
Numéro de page
Déplacement

Traduction
Adresse physique
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Mémoire virtuelle
 Espace logique plus grand que
• Pour l’ensemble des programmes
• Au sein de chaque programme
l’espace physique
 L’espace
logique est mappé sur un espace physique en
mémoire secondaire : le “swap”, portion de disque
 Les pages sont transférées entre la mémoire physique et
le disque
• Géré par le système d’exploitation
• “Faute de page”
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Problèmes
 Taille de la table des pages
• 4 Go adressables, pages de 4 ko => 1M d’entrées…
• Coût de cette table…
 table associative : numéro logique/numéro physique
 matériel : équivalent de 8 Mo de mémoire => énorme
 solution mixte : hard+soft
tables à deux niveaux, table pour chaque programme
 cache rapide dans la CPU : TLB, Translation Lookaside Buffer
– 890486 ; 32 entrées, 98% de réussite

 Algorithmes de gestion
• Complexes : LRU, FIFO, Not Recently Used
 Phénomène
de thrashing : compétition pour la MC
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La mémoire sous DOS
 Vision DOS traditionnelle
• 1 Mo divisée en 16 segments de 64 ko
• 10 segments de mémoire RAM
 0 à 640 ko
• 1 segment ROM pour le BIOS
• 1 segment RAM vidéo (VRAM)
• segments “libres”
 compléments BIOS ou VRAM
 cartouches enfichables
15
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
ROM BIOS
libre
libre
ROM BIOS 2
RAM vidéo
RAM vidéo 2
RAM
RAM
RAM
RAM
RAM
RAM
RAM
RAM
RAM
RAM
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20
“Types” de mémoire
 Mémoire
conventionnelle : 640 premiers ko
 Mémoire haute : de 640 à 1024 ko
 Mémoire étendue : au delà de 1024 ko
• Extended Memory : de 16 Mo (80286) à 4Go (80386)
 Expansions mémoire
• Expanded memory ; commutation de bancs
• “Norme” LIM/EMS : Lotus/Intel/Microsoft EM Specification
 version 3.2 et 4.0
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21
Utilisation de la mémoire sous DOS
 Vision utilisateur : allocation & libération
 Allocation par la primitive 48h ; bx = taille demandée [16 octets]
 Libération par la primitive 49h ; es:0 = adresse du bloc à libérer

Les blocs libres contigus sont rassemblés pour former un bloc plus gros
• “Paramétrer” la gestion de la mémoire
 Fonction 58h : choisir first/best/last fit, high/low
 first fit : le premier bloc trouvé de taille suffisante est alloué
 best fit : le bloc de la taille minimale est alloué
 last fit : comme first fit, en partant de la fin de la liste
 high/low : dans quelle mémoire allouer
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Types d’adressage
 E/S “traditionnelles”
• Mémoire d’échange distincte de la mémoire centrale
• Instructions spéciales pour la réalisation des E/S
• Mécanisme de transfert avec la MC
 E/S “mappées”
• Mémoire d’échange et mots de commande sont visibles dans
l’espace d’adressage du processeur
• Les opérations d’E/S se traduisent par des lectures et écritures en
MC
• “Perte” d’une portion de la MC
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Interface programmée
 La CPU réalise la plus grosse partie du travail
• Lancement d’une commande
 paramètres spécifiques, données éventuelles
• Attente d’un changement d’état
• Lecture de l’état (“status”) du périphérique
• Récupération des données, ou gestion de l’erreur
• Poursuite par la CPU du programme courant
 Caractéristiques
• Simple [logiciel, matériel], synchrone, inefficace
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24
E/S gérées par interruptions

Lancement synchrone des opérations
• La CPU s’adresse au module d’E/S pour initialiser l’opération
• Pendant l’E/S, la CPU peut continuer les traitements en cours
• Le module d’E/S assure la gestion des opérations
• Quand l’E/S est achevée, il le signale à la CPU en provoquant une
interruption

La CPU reconnaît l’interruption, et la traite à la fin de
l’instruction en cours
• Récupération des données
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25
E/S en accès direct mémoire
Décharger “encore plus” la CPU
 Lancement synchrone des opérations
• Appel au module E/S

spécification de l’opération et des paramètres
 spécification d’une adresse mémoire et d’un nombre d’éléments

• La CPU travaille pendant les opérations d’E/S
• L’interruption indique la fin du transfert et la disponibilité des données
 Le module d’E/S utilise le bus pour lire/écrire en MC
• DMA : direct memory access
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26
Interfaces externes
 Ports E/S série et parallèle
• Imprimantes, modems
 BUS E/S à grande vitesse
• SCSI, ESDI, IDE…
 Disques,lecteurs CD-Rom, scanners
• Ethernet
 Réseau
• Bus série P1394
• Bus d’instrumentation : HP-IB, IEEE-488, etc.
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Ports d’E/S “lents”

Port série
• Norme RS-232
1
fil émission, 1 fil réception, 1 masse, 1 terre, 5 fils contrôle
• Norme RS-422 (proche RS-232)
• Norme MIDI [Musical Instrument Digital Interface]
 1 fil émission, 1 fil réception, 1 masse
• Interfaces “propriétaires” [souris, clavier]

Port parallèle
• Interface “Centronics”
8
fils données, 1 masse, 1 signal “busy”, 1 signal “strobe]
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28
Norme RS-232C / V.24

Spécifications mécaniques, électriques, fonctionnelles
• V.24 du CCITT [Comité Consultatif International Télégraphique &
•
•
•
•
•
•
•
Téléphonique] = RS-232C de EIA [Electronic Industries Association]
Circuit UART : Universal Asynchronous Receiver Transmitter
Octets indépendants
1 : Terre de protection
Sérialisation
2 : Transmission
7/8 bits données
3 : Réception
bits start, stop
4 : Demande pour émettre
25 broches
5 : Prêt à émettre
Débit : 110, 300,
6 : Poste de données prêt
7 : Masse
1200… bauds
8 : Détection de porteuse
20 : Terminal de données prêt
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Représentation des signaux
0
1
0
0
1
0
1
1
0
•Modulation
numérique
•Modulation en
amplitude
•Modulation en
fréquence
•Modulation en
phase
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Bus SCSI - Small Computer System Interface
 SCSI-1 [Apple, 1984]
• 8 bits de données
• Horloge à 5 MHz ; 5 MB/seconde
• 8 “éléments” dont la CPU => 7 périphériques
 SCSI-2
• Standard actuel
• Largeur du bus de 16 ou 32 bits
• Horloge à 10 MHz
• Grande variété de périphériques
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31
Ethernet
 Bus à 10 ou 100 Mb/s, pour réseau local
• Câble coaxial ou paire torsadée
• Équipements dotés d’un numéro unique sur 48 bits
• Message : paquet de 128 à 1530 octets [0.1 à 1.5 ms]
• 1024 stations [transducteur], 300 à 1000 m
• Pas de contrôle central : les stations écoutent et réémettent si
nécessaire
 collisions détectées par l’émetteur
 réémission au bout d’un temps aléatoire
• Interconnexions :
 réémetteurs, filtres ou passerelles
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32
Ethernet - technologie
 Aspect électrique
 propagation des ondes électro-magnétiques = 200,000 km/s
 phénomènes d’écho aux extrémités
R
R
 Connexion
des stations
Transceiver
Station
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33
Ethernet - collisions
T1
T5
T6
T7
S1
T2
T3
T4
T8
S2
T1, T2 : les stations S1 et S2 envoient un message
T3 : S2 détecte une collision due à l’émission de S1, arrête d’émettre en T4
T5 : S1 détecte la collision due à l’émission de S2, arrête d’émettre en T6
T7, T8 : le médium apparaît “libre” aux stations S1 et S2
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34
P1394 - Bus série haute performance
 Liaison
série haute vitesse, faible coût
 Ordinateurs, Électronique générale
 25 à 400 Mbps [3 à 50 MB]
 Jusqu’à 63 unités physiques
 Avec des “bridges”, jusqu’à 1022 bus interconnectés
 Communication par 3 niveaux de protocoles:
• Physique, liaison, transaction
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35
Disques magnétiques

Aspects technologiques
• Support magnétique tournant sous une tête de lecture
• Disquette : 3.5 pouces, capacité 800ko, 1.2, 1.44 ou 2.88 Mo, 2 faces
• Disque dur : de 80 Mo à 10 Go, 3.5, 5 ou 8 pouces.
 1 tête par face magnétisée, 1 ou + plateaux
 la tête se déplace le long d’un rayon
 la rotation du disque sous la tête détermine
 1 face = ensemble de pistes concentriques
 cylindre : ensemble de pistes se
une piste
trouvant simultanément sous les têtes
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36
Pistes et secteurs
Piste : partagée en plusieurs secteurs
• Disquette DD : 80 pistes/face, 9 secteurs de 512 octets/piste = 720 ko
 Secteur : “unité de lecture”, 256 à 4096 octets utiles
• vue “déroulée” d’une piste : secteurs et “gaps”

En-tête et numéro
de secteur
Partie utile
Checksum
• numérotation logique des secteurs  ordre physique : “entrelacement”

ex :
0
4
1
5
2
6
3
7
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37
Le travail du contrôleur disque
 Réaliser les opérations d’entrées-sorties
• Lectures/écriture de “secteurs”
 Gérer des numéros de secteurs
• pistes, têtes et secteurs physiques
• gestion des secteurs défectueux
 réalisé au “formatage” du disque

“logiques”, 0 à n-1
remplacer les secteurs défectueux par des secteurs “de réserve”
 implique une “zone critique” du disque
 le disque est inutilisable si la zone critique est défectueuse
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38
Disque : opérations de “haut niveau”
Fichier
• Suite séquentielle d’octets désignée par un nom
• Accès séquentiel, direct, indexé, etc…
• Caractéristiques : taille, date création/modification, droits…
 Gérer un ensemble de fichiers : “file system”
• Organisation “à plat” [Macintosh HSFS version 1]
• Organisation hiérarchiques [Dossiers imbriqués : DOS, UNIX]
 Opérations :
• Créer, déplacer, renommer, détruire des fichiers, modifier leurs attributs
• Lire, écrire…

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39
Un exemple : DOS 3.3

Numérotation des secteurs sur 16 bits

[32 bits en DOS 4.0]
• Taille max : 65536 * 512 octets, soit 32 Mo.
• Pas un problème pour les disquettes
• Les disques dur peuvent être divisés en “partitions” de 32 Mo.
 Organisation d’une partition :
• Secteurs “réservés”, tables d’allocation, répertoire racine
• Données
• Secteur “cachés”
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40
Secteur 0 : “Boot”
Adresse Taille Nature
00h
3
Saut à la procédure de boot
03h
8
Fabriquant, version
0Bh
2
Nombre d'octets par secteur
0Dh
2
Nb. de secteurs par cluster
0Eh
2
Nb. de secteurs réservés
10h
1
Nombre de FATs
11h
2
Nb. d'entrées dans la racine
13h
2
Nb. de secteurs total
15h
1
Type du support
16h
2
Nb. de secteurs par FAT
18h
2
Nb. de secteurs par piste
1Ah
2
Nb. de têtes lecture/écriture
1Ch
2
Nb. de secteurs cachés
1Eh
482 Procédure de boot, 55h, AAh
École des Mines de Saint-Etienne. 158, cours Fauriel. 42 023 Saint-Etienne Cedex 2. Tél. 04 77 42 01 23. Fax. 04 77 42 66 66.
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Table d’allocation des fichiers [FAT]





1 ou plusieurs exemplaires, secteurs 1 à n
Entrées de 12 (avant DOS 3.0) ou 16 bits
Chaque entrée est associée à un cluster
Un cluster est l’unité d’allocation
• 1 ou 2 secteurs pour un floppy, 4 à 64 pour un disque dur
Valeurs possibles des entrées :
• 0000h : cluster libre ; 0001h : entrée invalide
• 0002h à FFEFh : cluster utilisé, pointeur vers cluster suivant du
fichier
• FFF0h à FFF6h : “réservé”
• FFF7h : le cluster contient un secteur endommagé
• FFF8h à FFFFh : le cluster est le dernier du fichier
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42
Racine, données et secteurs cachés
 Racine : un répertoire (taille indiquée
• Entrée de 32 octets : “nom” du disque
• Entrées de 32 octets
dans sect. 0)
 Données : taille calculable
• Taille totale, moins S0, racine, FATs et Secteurs cachés
 Secteurs cachés
• Secteurs non inclus dans la zone données pour des raisons de
formatage, limitations, etc
• Peuvent indiquer la présence de partitions supplémentaires
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Répertoire
 Structure
Octets
0-7
8-10
11
12-21
22-23
24-25
26-27
28-31
 Attributs
Contenu
Nom du fichier / 8 car. nom du disque
Extension / 3 car. nom du disque
Attributs
Inutilisés
Heure création
Date création
Numéro du premier cluster
Nombre d’octets / 0 (répertoire/volume)
: 1 si…
bit 0 : Read-only
bit 1 : fichier caché
bit 2 : fichier système
bit 3 : décrit un volume
bit 4 : décrit un répertoire
bit 5 : modifié depuis back-up
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Heure et Date, premier octet

Heure
bits 15-11 : heure (0-23)
bits 10-5 : minute (0-59)
bits 4-0 :
seconde/2 (0-29)

Date
bits 15-9 : années depuis 1980 (0-127)
bits 8-5 : mois (1:janvier, 12:décembre)
bits 4-0 : jour (1 à 31)

Premier octet : valeurs spéciales
E5h : entrée correspondant à un fichier effacé
00h : entrée libre (plus d’entrée utilisée ensuite)
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Types de fichiers : conventions
 DOS (suffixe unique, 3 car. max)
• .c .h : fichiers source C
• .COM .EXE : fichiers de commande, exécutable
 Unix, Mac : un ou + suffixes
• .shar .tar shell archive, tape archive
• .Z .gz .zip fichier comprimé par compress, gzip ou pkzip
• .uu .hqx fichier encodé par uuencode ou binhex
 ex : toto.tar.gz.hqx
• .gif .jpeg .jpg .tiff .xmb : fichiers image
• .ps .tex .dvi .man : postscript, TeX, DVI, man
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Fichiers : opérations du DOS
 Création
de fichier
 Ouverture de fichier
 Fermeture de fichier
• Note : fermer les fichiers dès que possible
 Les
fichiers ouverts peuvent être endommagés en cas de coupure de
courant, reset machine, etc.
 Lecture,
écriture, positionnement dans un fichier
 Recherche d'un fichier conforme à un schéma
 Destruction, renommage d'un fichier
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Fichiers : autres opérations du DOS
 Lire/changer
les attributs
 Lire/modifier date et heure de modification
 Création de fichier temporaire
 Duplication d’un file handle
 Gestion des répertoires
• Création, destruction, déplacement
• Choix du répertoire par défaut
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