Système d'exploitation

Pour les articles homonymes, voir SE et OS.

En informatique, un système d'exploitation (souvent appelé OS pour Operating System, le terme anglophone) est un ensemble de programmes qui dirige l'utilisation des capacités d'un ordinateur par des logiciels applicatifs^[1]. Il reçoit des demandes d'utilisation des capacités de l'ordinateur - capacité de stockage des mémoires et des disques durs, capacité de calcul du processeur, capacités de communication vers des périphériques ou via le réseau - de la part des logiciels applicatifs. Le système d'exploitation accepte ou refuse ces demandes, puis réserve les ressources en question pour éviter que leur utilisation n'interfère avec d'autres demandes provenant d'autres logiciels^[1].

Le système d'exploitation est le premier programme exécuté lors de la mise en marche de l'ordinateur^[2], après l’amorçage. Il offre une suite de services généraux facilitant la création de logiciels applicatifs et sert d'intermédiaire entre ces logiciels et le matériel informatique^[1]. Un système d'exploitation apporte commodité, efficacité et capacité d'évolution, permettant d'introduire de nouvelles fonctions et du nouveau matériel sans remettre en cause les logiciels^[2].

Il existe sur le marché des dizaines de systèmes d'exploitation différents^[2], souvent livrés avec l'appareil informatique^[3]. C'est le cas de Windows, Mac OS, Irix, Symbian OS, Linux (pour lequel il existe de nombreuses distributions) ou Android. Les fonctionnalités offertes diffèrent d'un modèle à l'autre et sont typiquement en rapport avec l'exécution des programmes, l'utilisation de la mémoire centrale ou des périphériques, la manipulation des systèmes de fichiers, la communication, ou la détection d'erreurs^[2].

La définition des systèmes d'exploitation est rendue floue par le fait que les vendeurs de ces produits considèrent le système d'exploitation comme étant la totalité du contenu de leur produit, y compris les vidéos, les images et les logiciels applicatifs l'accompagnant^[1].

En 2012, les deux familles de systèmes d'exploitation les plus populaires sont Unix (dont OS X, GNU/Linux, iOS et Android) et Windows. Cette dernière détient un quasi-monopole sur les ordinateurs personnels avec près de 90 % de part de marché depuis 15 ans^[4].

Le système d'exploitation est un intermédiaire entre les logiciels d'application et le matériel.

Relations dans un système d'exploitation moderne.

Fonctionnalités

Le système d'exploitation offre une suite de services généraux facilitant la création de logiciels applicatifs. Les services offerts sont en rapport avec l'utilisation des ressources de l'ordinateur par les programmes^[2]. Ils permettent en particulier d'exécuter des programmes, de lire et écrire des informations, de manipuler les fichiers, de communiquer entre ordinateurs et de déceler des erreurs^[2]. Ces services permettent à plusieurs usagers et plusieurs programmes de se partager les ressources de l'ordinateur^[5].

Utilisation des périphériques : chaque périphérique a ses propres instructions, avec lesquelles il peut être manipulé. Le système d'exploitation en tient compte. Il permet au programmeur de manipuler le périphérique par de simples demandes de lecture ou d'écriture, lui évitant la perte de temps de traduire les opérations en instructions propres au périphérique^[5].
Accès aux fichiers : en plus des instructions propres à chaque périphérique (lecteur de disquette, disque dur, lecteur de CD-ROM), le système d'exploitation tient compte du format propre de chaque support servant au stockage de fichiers. Il offre également des mécanismes de protection permettant de contrôler quel utilisateur peut manipuler quel fichier^[5].
L'accès aux ressources : Une des fonctions du système d'exploitation est de protéger les ressources contre l'utilisation par des personnes non autorisées, et de résoudre les conflits lorsque deux utilisateurs demandent simultanément la même ressource^[5].
Détection et récupération en cas d'erreur : lorsqu'une erreur survient, qu'elle soit matérielle ou logicielle, le système d'exploitation traite l'erreur en adoucissant son impact sur le système informatique. Il peut tenter de réitérer l'opération, arrêter l'exécution du programme fautif, ou signaler le problème à l'utilisateur^[5].
Contrôle : un système d'exploitation peut tenir des statistiques d'utilisation des ressources, surveiller la performance, et les temps de réponse^[5].

Le système d'exploitation assure la réservation des différentes ressources pour les besoins des programmes exécutés simultanément. Les réservations peuvent être inscrites dans des journaux d'activités à des fins de statistiques ou de dépannage et le système d'exploitation peut refuser une réservation à un utilisateur n'ayant pas reçu d'autorisation^[2] préalable.

Le matériel informatique peut exécuter des instructions, celles-ci sont rarement plus que des copies ou des additions. La traduction d'opérations complexes en suite d'instructions est une tâche fastidieuse qui incombe au système d'exploitation^[5]. Le système d'exploitation prend en charge toute la manipulation du matériel, le logiciel applicatif ne peut donc pas voir de différence entre une machine simple, rudimentaire et une machine riche et complexe : les mêmes services sont offerts dans les deux cas^[1].

Le système d'exploitation facilite le travail de programmation en fournissant une suite de services pouvant être utilisés par les logiciels applicatifs^[1]. Du point de vue du programmeur, son logiciel applicatif s'oriente en direction du système d'exploitation et du matériel, et les programmes sont considérés comme fonctionnant sur le système d'exploitation. Un système d'exploitation peut ainsi être vu comme une machine virtuelle. L'ensemble composé du matériel et du système d'exploitation forme la « machine » qui exécute le logiciel applicatif, une machine en partie simulée par du logiciel^[1].

Typologie

Il existe cinq générations de systèmes d'exploitation : par lots (batch), multi programmés, en temps partagé, temps réel, et distribués. Chacun des principes mis en œuvre dans une génération se retrouve dans les générations suivantes^[5].

Un système de traitement par lots (batch) est prévu pour l'exécution de grands calculs les uns après les autres, avec peu d'intervention utilisateur^[2].

À partir de la génération des systèmes d'exploitation multi-programmés, plusieurs programmes sont exécutés simultanément par planification (scheduling). Dans ces systèmes d'exploitation multitâches, plusieurs programmes résident dans la mémoire centrale et le système d'exploitation suspend régulièrement l'exécution d'un programme pour continuer l'exécution d'un autre^[5].

Dans la génération des systèmes multiprogrammés, l'exécution simultanée de plusieurs programmes vise l'utilisation efficace de la puissance de calcul du processeur.

Dans la génération des systèmes en temps partagé l'exécution simultanée de plusieurs programmes vise à répondre rapidement aux demandes de plusieurs utilisateurs en communication directe avec l'ordinateur^[5].

Un système d'exploitation temps réel doit garantir que toute opération se termine dans un délai donné, en vue de garantir la réussite du dispositif dans lequel l'ordinateur est utilisé^[2].

Un système distribué dirige l'utilisation des ressources de plusieurs ordinateurs à la fois. Il utilise les capacités d'un réseau informatique, contrôle un groupe de machines, et les fait apparaître comme une machine unique, virtuelle, de très grande capacité^[2].

Chaque système d'exploitation est conçu pour fonctionner avec une gamme particulière de machines (type de processeur, constructeur, architecture). Si un système d'exploitation est disponible pour plusieurs gammes de machines différentes, alors le même code source est compilé ^{[N 1]} et adapté à chaque gamme de machines. La palette de pilotes inclus dans le système d'exploitation est adaptée au matériel informatique disponible sur le marché pour cette gamme de machines.

Première génération : Traitement par lots

Les systèmes d'exploitation basés sur le traitement par « lots » (suites d'instructions et de données dans un ensemble de cartes perforées) sont apparus dans les années 1950. Un programme (avec ses données) n'est rien d'autre qu'une pile de cartes avec des indicateurs de début et de fin de lot. L'exécution d'un programme consiste à demander à un opérateur de placer la pile de cartes dans le lecteur, puis l'opérateur lance la lecture séquentielle des cartes. Le processeur central est au repos, durant les manipulations de l'opérateur^[5].

Un batch est un lot de travaux à effectuer. L'opérateur compose un batch en posant les unes sur les autres les piles de cartes des différents programmes (avec leurs données) demandés par les utilisateurs. Il forme une grande pile de cartes séparées par des marque-page, en général une carte de couleur particulière, qu'il place ensuite dans le lecteur. Le regroupement de plusieurs programmes en un batch diminue les interventions de l'opérateur^[5].

Dans un système basé sur les batchs, le cœur du système d'exploitation est un programme moniteur qui réside continuellement en mémoire centrale et permet à l'opérateur de demander le début ou l'arrêt de l'exécution du lot. À la fin de l'exécution de chaque tâche du lot, le moniteur effectue des travaux de nettoyage, puis lance l'exécution de la tâche suivante. Ainsi, l'opérateur intervient uniquement au début et à la fin du lot^[5].

Dans ces systèmes d'exploitation les commandes ajoutées au marque-page, formulées dans le langage JCL (Job Control Language) sont un des seuls moyens qu'a l'utilisateur d'interagir avec le système d'exploitation^[5].

Les systèmes d'exploitation batch sont adaptés à des applications nécessitant de très gros calculs mais peu d'implication de l'utilisateur : météo, statistiques, impôts... Les utilisateurs n'attendent pas immédiatement de résultats. Ils soumettent les demandes, puis reviennent ultérieurement collecter les résultats^[5].

En raison de la grande différence de vitesse entre le processeur et les périphériques, dans un système d'exploitation batch le processeur est inutilisé 90 % du temps car les programmes attendent qu'un périphérique ou un autre termine les opérations. Avec ces systèmes d'exploitation il n'y a pas de concurrence entre les différentes tâches, la mise en œuvre de l'utilisation du processeur, de la mémoire et des périphériques est triviale^[5] mais loin d’être optimale.

Deuxième génération : la multiprogrammation

Les systèmes d'exploitation multi-programmés sont apparus dans les années 60. Le but recherché par de tels systèmes est d'augmenter l'efficacité de l'utilisation du processeur et des périphériques en utilisant la possibilité de les faire fonctionner en parallèle. Plusieurs programmes sont placés en mémoire centrale, et lorsque le programme en cours d'exécution attend un résultat de la part d'un périphérique, le système d'exploitation ordonne au processeur d'exécuter un autre programme^[5].

Dans les systèmes d'exploitation multi-programmés, l'utilisation du processeur est partagée par planification (scheduling) : à chaque utilisation d'un périphérique, le système d'exploitation choisit quel programme va être exécuté. Ce choix se fait sur la base de priorités. Le système d'exploitation comporte un mécanisme de protection évitant ainsi que le programme en cours d'exécution ne lise ou n'écrive dans la mémoire attribuée à un autre programme. Les programmes sont exécutés dans un mode non-privilégié, dans lequel l'exécution de certaines instructions est interdite^[5].

Les systèmes multi-programmés nécessitent un ordinateur et des périphériques mettant en œuvre la technique du DMA (direct memory access) celle-ci, le processeur ordonne à un périphérique d'effectuer une opération, le résultat de l'opération est placé en mémoire centrale par le périphérique tandis que le processeur exécute d'autres instructions. Dans les systèmes multi-programmés, tout comme pour les systèmes batch, l'utilisateur n'a que peu de contact avec les programmes et de maigres possibilités d'intervention^[5].

Troisième génération : le temps partagé

Les systèmes d'exploitation en temps partagé sont apparus dans les années 70. Ils sont utilisés dans des dispositifs interactifs où plusieurs utilisateurs sont simultanément en dialogue avec l'ordinateur. Un système d'exploitation en temps partagé est destiné à répondre rapidement aux demandes de l'utilisateur, et donner à chaque utilisateur l'impression qu'il est le seul à utiliser l'ordinateur^[5].

Un système en temps partagé met en œuvre des techniques sophistiquées de multiprogrammation en vue de permettre l'utilisation interactive de l'ordinateur par plusieurs usagers et plusieurs programmes simultanément^[2]. L'arrivée, en 1970, de cette nouvelle génération de systèmes d'exploitation résulte d'une forte demande des consommateurs, et de la baisse du prix du matériel informatique ayant rendu possible sa réalisation^[5].

Dans les systèmes d'exploitation en temps partagé la notion de batch n'a que peu d'importance. Ces systèmes mettent en œuvre de nouveaux mécanismes d'utilisation du processeur et de la mémoire, qui leur permet de répondre rapidement à des demandes provenant simultanément d'un grand nombre d'utilisateurs^[5].

Dans ces systèmes, tout comme dans la génération précédente, l'utilisation du processeur est planifiée. Cependant, contrairement aux systèmes de la génération précédente, dans les systèmes en temps partagé chaque programme est exécuté durant une tranche de temps déterminé, puis le système d'exploitation bascule sur l'exécution d'un autre programme, ce qui évite qu'un programme monopolise l'utilisation du processeur au service d'un utilisateur, entraînant des retards pour les autres usagers^[5].

Les systèmes d'exploitation en temps partagé mettent en œuvre la technique du swap : lorsque le programme en cours d'exécution a besoin de plus de mémoire que celle disponible, un autre programme inactif est retiré pour gagner de la place, le programme inactif est alors enregistré temporairement sur le disque dur. L'enregistrement sur disque provoque cependant une perte de temps non négligeable^[5].

En 2011 de nombreux systèmes d'exploitation sont basés sur Unix, un système en temps partagé^[3].

Quatrième génération : le temps réel

Les systèmes d'exploitation temps-réel sont apparus au milieu des années 70, notamment chez Hewlett-Packard^[6]. Ils sont destinés aux dispositifs devant non seulement donner des résultats corrects, mais les donner dans un délai déterminé. Ces systèmes d'exploitation sont souvent utilisés par des ordinateurs reliés à un appareil externe (pilotes automatiques, robots industriels, applications vidéo et audio^[5]) pour lequel un retard de réponse de l'ordinateur entraînerait un échec de l'appareil.

Dans ces systèmes d'exploitation, l'accent est mis sur la durée nécessaire pour effectuer chaque opération répondre aux demandes rapidement en vue de satisfaire aux contraintes de temps du système dans lequel il est utilisé^[5].

Certains services offerts par ces systèmes d'exploitation sont réalisés comme des logiciels applicatifs, et sont exécutés en concurrence avec ceux-ci. Un système d'exploitation temps réel autorise un contact direct entre les logiciels applicatifs et les périphériques. Dans certains systèmes temps réel les ressources sont réservées à l'avance, évitant ainsi les ralentissements que provoqueraient les réservations à la volée, et garantissant que les ressources sont continuellement disponibles^[5].

Les systèmes d'exploitation temps-réel évitent d'utiliser la technique du swap en raison des risques de dépassement des délais^[5].
RTX, Windows CE, Embedded Linux, Symbian OS, Palm OS et VxWorks sont des systèmes d'exploitation temps réel^[7].

Cinquième génération : les systèmes distribués

La baisse des prix du matériel informatique a permis, dans les années 90, la création de systèmes informatiques composés de plusieurs ordinateurs, et donc plusieurs processeurs, plusieurs mémoires, et de nombreux périphériques. Un système distribué permet le partage des ressources entre les ordinateurs. Un utilisateur d'un ordinateur bon marché peut se servir de ressources coûteuses existant sur un autre ordinateur^[5].

Mach, Amoeba, Andrew, Athena, et Locus sont des systèmes d'exploitation distribués. Ils ont tous été développés par des universités^[8].

Histoire

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Dans les années 1940 les ordinateurs étaient programmés par manipulation d'interrupteurs à bascule, puis plus tard par l'introduction d'une pile de cartes perforées dans un lecteur dont la mécanique était similaire à celles des pianos mécaniques — technique appelée mécanographie.

Les ordinateurs des années 1940 à 1960, très coûteux, étaient la propriété d'entreprises ou d'institutions. Chaque utilisateur avait le droit d'utiliser l'ordinateur pendant un temps limité. Ce temps était souvent déterminé par une horloge murale ou une pointeuse, et l'utilisateur avait alors à disposition la totalité du matériel de l'ordinateur. Il apportait avec lui une pile de cartes perforées contenant les instructions du ou des programmes qu'il souhaitait exécuter.

Les ordinateurs de cette époque effectuaient une seule tâche à la fois, au service d'un seul utilisateur. Les programmes pour ces ordinateurs contenaient toutes les instructions nécessaires à la manipulation du matériel de l'ordinateur. Si la logithèque de cet ordinateur comportait cinquante programmes, les instructions nécessaires pour manipuler le matériel se retrouvaient dans chacun de ces cinquante programmes.

Avec l'accroissement de la logithèque, l'idée est venue d'isoler les instructions routinières dans un programme séparé. Ce programme résiderait continuellement dans la mémoire, quel que soit le programme exécuté. Ce programme était un système d'exploitation, sous sa forme la plus rudimentaire.

1960, la multiprogrammation

Les ordinateurs des années 1960 avaient, en général, comme périphériques, un lecteur de carte perforée, un enregisteur-lecteur de bande magnétique ou un disque dur et une imprimante. Du fait de la lenteur de ces périphériques, les ordinateurs devaient attendre, sans rien faire d'autre, qu'un périphérique termine son travail avant de passer à l'instruction suivante, ce qui représentait une perte de temps non négligeable.

Les systèmes d'exploitation ont alors été conçus de manière à permettre l'exécution de plusieurs programmes à la fois. D'abord, les programmes étaient chargés en mémoire pour y résider simultanément. Le premier programme était exécuté, puis, lorsqu'il avait besoin d'attendre qu'un périphérique se libère, le système d'exploitation enchaînait sur l'exécution du deuxième programme, puis le troisième et ainsi de suite^{[réf. nécessaire]}. Cette technique, dite de multiprogrammation, est le précurseur du multitâche des systèmes d'exploitation actuels, proche du multitâche coopératif qui a été utilisé jusque dans les années 1990.

En 1965 le Massachusetts Institute of Technology se lance dans la création du premier système d'exploitation multitâche et multi-utilisateurs : Multics (pour MULTiplexed Information and Computing Service^{[T 1]}, ou service multiplexé d'information et de calcul). Sur le principe de la multiprogrammation, le système d'exploitation autorisait le chargement de plusieurs programmes en mémoire et gérait le passage de l'un à l'autre, mais cette fois-ci sans attendre le blocage d'un programme^{[N 2]}. Chaque programme était exécuté pendant une durée de quelques millisecondes, puis le système passait au suivant. Ce temps, très court, donnait l'illusion que les programmes s'exécutaient simultanément — une illusion qui existe encore avec les systèmes d'exploitation contemporains.

De plus, ces programmes pouvaient appartenir à des utilisateurs distincts, chacun ayant l'impression que la machine travaille uniquement pour lui. La possibilité pour un ordinateur de servir simultanément plusieurs personnes augmentait le retour sur investissement de l'achat de matériel très coûteux par les entreprises et les institutions. Cependant, du fait de son écriture dans un langage de programmation PL/I trop complexe pour les ordinateurs de l'époque, Multics fut un échec commercial. Il a cependant inspiré en grande partie la gamme de systèmes GCOS développés conjointement par Honeywell et Bull^[9].

En 1969, les ingénieurs Ken Thompson et Dennis Ritchie des laboratoires Bell rêvent d'utiliser le système d'exploitation Multics, mais le matériel pour le faire fonctionner est encore hors de prix. Thompson se lance dans l'écriture d'une version allégée de Multics pour un PDP-7 inutilisé. Le système, fonctionnel, est surnommé Unics (pour UNiplexed Information and Computing Service^{[T 2]}), puis finalement baptisé UNIX. Rapidement reprogrammé dans un langage de programmation plus approprié (le C, développé par Ritchie pour l'occasion), UNIX se révèle particulièrement simple à porter sur de nouvelles plateformes, ce qui assure son succès^{[T 3]}^,^[10].

1972, les micro-ordinateurs

Sorti en 1972, le Micral de la société R2E est le premier micro-ordinateur du monde. il est équipé d'un processeur Intel 8008 et du système d'exploitation SYSMIC — appelé alors moniteur d'exploitation. Le système d'exploitation SYSMIC sera renommé PROLOGUE lors du rachat de la société par Bull en 1978.

Sorti en 1975, l'Altair 8800 est un micro-ordinateur livré en kit au prix approximatif de 400 $, et tout comme le Micral il se programme en inversant une série d'interrupteurs à bascule situés en façade de l'appareil. Le prix de l'Altair 8800 le rend accessible aux particuliers, mais son utilisation complexe (rappelant les ordinateurs centraux des années 1940) limite son utilisation à des passionnés ou des hobbyistes.

À cette époque, les micro-ordinateurs n'avaient pas une puissance de calcul suffisante pour être équipés d'un système d'exploitation tel que Unix ou OS/360, même si, face au monopole d'IBM les constructeurs réfléchissaient à des machines moins coûteuses et moins encombrantes. Gary Kildall, ingénieur pour Intel crée CP/M, le premier système d'exploitation pour micro-ordinateur.

En 1980, IBM prend contact avec Bill Gates, cofondateur de la société Microsoft, pour l'adaptation du langage BASIC à son nouveau micro-ordinateur : le Personal Computer (abrégé PC). IBM est également à la recherche d'un système d'exploitation, et Bill Gates leur conseille de se tourner vers CP/M. Mais Gary Kildall refuse de signer le contrat avec IBM. Bill Gates saute sur l'occasion : il rachète QDOS – un système d'exploitation quick-and-dirty pour les processeurs Intel 8086 – pour proposer à IBM le package DOS/BASIC. Après quelques modifications effectuées à la demande d'IBM, le système est baptisé MS-DOS^{[T 4]}^,^[11].

Xerox, une des sociétés majeures de l'époque, s'intéresse à l'optique de Steve Jobs. Elle réunit une poignée de scientifiques et d'ingénieurs dans son centre de recherche de Palo Alto et développe le premier micro-ordinateur équipé d'une interface utilisateur graphique, sur la base de thèses et d'études en ergonomie effectuées les années précédentes. Le résultat de ces recherches, le Xerox Star, ne sera jamais commercialisé. Dix ans plus tard, c'est Apple avec le Macintosh qui popularise les recherches effectuées par Xerox^[12].

1990, les systèmes d'exploitation sous licence libre

Composition

Un système d'exploitation est composé d'une large palette de programmes. La composition exacte dépend de l'usage cible et du type d'appareil informatique auquel le système est destiné (ordinateur personnel, serveur, superordinateur ou encore système embarqué).

Si le système d'exploitation est destiné à être utilisé sur un ordinateur personnel ou une console de jeu vidéo, l'interface graphique sera raffinée et ergonomique. S'il est destiné à être utilisé sur un serveur, il comprendra une large palette de protocoles et de pilotes pour du matériel réseau, sera multi-tâches et muni de contrôles d'accès. Au contraire, s'il est destiné à un assistant personnel ou un téléphone mobile, le nombre de pilotes sera réduit au minimum et le système d'exploitation sera prévu pour être enregistré sur une mémoire morte. Un système d'exploitation destiné à des superordinateurs sera massivement multiprocesseur, ainsi il pourra être utilisé sur un ordinateur équipé de centaines voire de milliers de processeurs.

Interface de programmation

Article détaillé : Interface de programmation.

Le système d'exploitation effectue de nombreuses actions à la demande des logiciels applicatifs. Le point de contact entre un logiciel applicatif et le système d'exploitation est appelé interface de programmation (anglais Application Programming Interface abrégé (API)). Ce peut être des fonctions mises à disposition dans des bibliothèques logicielles, ou des logiciels serveur répondant aux requêtes envoyées par les logiciels applicatifs.

L'utilisation de la même interface de programmation assure la portabilité des logiciels applicatifs, quel que soit le matériel, le protocole ou le système de fichier concerné. Un logiciel applicatif donné pourra alors fonctionner sur différents ordinateurs, quelle que soit leur configuration, et en particulier quel que soit le matériel, le système de fichier ou le protocole utilisé.

POSIX (acronyme de l'anglais Portable Operating System Interface) est une norme relative à l'interface de programmation du système d'exploitation. De nombreux systèmes d'exploitation sont conformes à cette norme, notamment les membres de la famille Unix.

L'ordonnanceur

Article détaillé : Ordonnanceur.

L'ordonnanceur (anglais scheduler) est le programme du système d'exploitation contrôlant le déroulement des autres programmes. Dans un système d'exploitation multitâches, l'ordonnanceur assure l'exécution simultanée de plusieurs programmes (concurrence).

L'exécution simultanée de plusieurs programmes est réalisée ainsi : l'ordonnanceur commande l'exécution à tour de rôle de chaque programme par le ou les processeurs de l'ordinateur, chaque processeur exécute les instructions d'un programme pendant une fraction de seconde, puis l'ordonnanceur effectue une commutation de contexte (anglais context switch), suspend l'exécution du programme en cours et passe au programme suivant.

La communication inter-processus

Article détaillé : Communication inter-processus.

Les systèmes informatiques sont typiquement composés de nombreux programmes qui coopèrent en s'échangeant des informations. Ces échanges entre les processus (programmes en cours d'exécution) peuvent se faire à l'aide de messages stockés en mémoire, le système d'exploitation s'occupant de collecter les messages et les mettre à disposition de chaque destinataire. Tout processus attendant un message sera interrompu jusqu'à son arrivée, et l'ordonnanceur évitera toute commutation de contexte vers un processus en attente.

Le système d'exploitation s'assure également que les processus qui partagent un espace de stockage commun (en lecture ou écriture) ne se trouvent pas en situation de compétition, c'est-à-dire dans une situation où le résultat d'une opération dépend de l'ordre dans lequel les processus accèdent à l'espace partagé.

Gestion de la mémoire

Les fonctions du système d'exploitation contrôlant l'utilisation de la mémoire vont suivre, en particulier, quels emplacements sont libres, ou utilisés, et par qui^[2]. Ces fonctions vont également décider quel programme reçoit de la mémoire, quand et quelle quantité est mise à disposition, et récupérer la mémoire utilisée par un programme après son exécution, que le programme se soit arrêté volontairement ou accidentellement^[2].

La quantité de mémoire utilisée par l'ensemble du système informatique dépend essentiellement de la manière dont le système d'exploitation effectue les réservations^[2].

La mémoire virtuelle

Article détaillé : Mémoire virtuelle.

Le mécanisme dit de mémoire virtuelle est destiné à simuler la présence ou l'absence de mémoire centrale par manipulation de l'unité de gestion mémoire — un composant électronique (anglais Memory Management Unit abrégé MMU). C'est un mécanisme courant dans les systèmes d'exploitation contemporains.

La mémoire virtuelle permet d'exécuter simultanément plus de programmes que ce que la mémoire centrale peut contenir. Chaque programme n'ayant pas besoin que la totalité des informations qu'il manipule soit présente dans la mémoire centrale^{[N 5]}, une partie des informations est stockée dans la mémoire de masse (en général dans un fichier ou une partition de disque dur) habituellement plus importante mais plus lente et sont transférées en mémoire centrale lorsque le programme en a besoin^{[T 7]}.

Les programmes disposent d'un (ou plusieurs) espaces virtuels de mémoire continus pour travailler. Les adresses des données sont dites virtuelles dans la mesure où l'information adressée ne se trouve pas forcément ni en mémoire centrale, ni à l'adresse indiquée. Lorsque le programme essaie de lire ou écrire une donnée dans sa mémoire virtuelle, l'unité de gestion de mémoire cherche l'adresse physique correspondant à l'adresse virtuelle sollicitée grâce à une table de correspondance. Si l'emplacement n'est pas présent en mémoire centrale, il n'y aura évidemment aucune adresse physique correspondante. Le système d'exploitation devra alors chercher à libérer un espace en mémoire centrale en échangeant (anglais swap) le contenu d'un emplacement donné de mémoire centrale avec le contenu sollicité, qui se trouve en mémoire de masse^{[N 6]}^,^{[T 8]}. Cette opération s'effectue automatiquement, à l'insu des programmes.

Des mémoire associatives, incorporées dans l'unité de gestion de mémoire, accélèrent le calcul des adresses^{[T 9]}. Les systèmes d'exploitation utilisent généralement deux mémoires associatives : une pour le mode kernel et une pour le mode utilisateur. La mémoire du mode kernel est arrangée de manière à permettre au processeur d'utiliser la totalité de la mémoire centrale disponible — lors de l'exécution des programmes du noyau du système d'exploitation. Tandis que celle du mode utilisateur est arrangée de manière à protéger le noyau (qui est ainsi invisible pour le programme en question) — lors de l'exécution des programmes hors du noyau.

Chaque programme dispose de sa propre table de correspondance, ce qui permet de les isoler les uns des autres. Lors d'une commutation de contexte, le système d'exploitation placera la table du programme courant dans la mémoire associative^{[T 10]}. Le système d'exploitation crée également de nouvelles tables pour les programmes qui démarrent et décide quels emplacements de mémoire virtuelle seront ou ne seront pas présents en mémoire centrale^{[T 11]}.

Pilotes

Article détaillé : Pilote informatique.

Un pilote (anglais driver) est un programme contenant les instructions à exécuter pour utiliser un certain périphérique informatique. Les pilotes sont fournis par l'auteur du système d'exploitation ou le fabricant du périphérique. Un système d'exploitation contient typiquement de nombreux pilotes correspondant à de nombreux composants matériels susceptibles d'être montés dans l'ordinateur.

L’interface de programmation est similaire sur tous les pilotes, tandis que les instructions du programme diffèrent en fonction des caractéristiques de chaque composant matériel, ce qui assure l'utilisation banalisée du périphérique.

Le système d'exploitation dirige l'utilisation des pilotes par les logiciels applicatifs. Il intervient lorsque plusieurs logiciels applicatifs tentent d'utiliser le même matériel en même temps, et active ou désactive les pilotes en fonction du matériel présent dans l'ordinateur.

Lors de chaque événement survenu sur un périphérique (réception d'informations, fin d'un envoi, manipulation effectuée par l'utilisateur, etc.), ce dernier provoque une interruption matérielle, un mécanisme électronique qui provoque une commutation de contexte ; le système d'exploitation déclenche alors l'exécution des instructions du pilote concerné.

Les logiciels applicatifs ainsi que le système d'exploitation peuvent également, au besoin, déclencher l'exécution des instructions d'un pilote.

Système de fichiers

Article détaillé : Système de fichier.

Un système de fichier (anglais file system) est une structure en forme d'arborescence dans laquelle sont stockés des fichiers ainsi que d'autres informations. Divers programmes du système d'exploitation s'occupent de répartir les fichiers sur les mémoires de masse tels que les disques durs, et de les relier pour former la structure du système de fichiers.

Il existe diverses manières de disposer les fichiers dans une mémoire de masse. Une mémoire de masse remplie avec un système d'exploitation selon une disposition donnée ne sera reconnue par un autre système d'exploitation qu'uniquement si celui-ci reconnaît la disposition en question. Les mémoires amovibles telles que les CD ou les DVD ont une disposition normalisée dont les spécifications sont publiques, ce qui assure leur reconnaissance par tous les systèmes d'exploitation (voir ISO 9660 et UDF).

Un système d'exploitation contient typiquement différents programmes servant à manipuler un système de fichier. Chaque programme manipule les fichiers conformément à une disposition donnée. Ces programmes effectuent des opérations telles que créer des fichiers, les copier, les supprimer, créer et supprimer des répertoires ainsi que formater la mémoire de masse c'est-à-dire créer une structure vide. voir FAT, HFS ou ext2fs.

Lorsque le système de fichier est distribué, et que les fichiers sont donc stockés sur différents ordinateurs d'un réseau informatique, le système d'exploitation envoie une requête à l'ordinateur stockant le fichier pour chaque opération à effectuer (voir NFS ou CIFS).

Dans un système d'exploitation multi-utilisateurs, les programmes manipulant le système de fichiers effectuent des contrôles pour vérifier qu'aucun fichier n'est manipulé par une personne non autorisée. Ce type de système d'exploitation refusera toute manipulation non autorisée.

Réseau

Article détaillé : Réseau informatique.

Dans un réseau informatique, deux ordinateurs reliés communiquent dès lors que les communications se font de part et d'autre selon les mêmes protocoles réseau. Selon le modèle OSI, les différents protocoles existants sont répartis sur sept niveaux, où un protocole d'un niveau donné peut être combiné avec n'importe quel protocole des niveaux situés en dessus et en dessous (voir encapsulation).

Un système d'exploitation contient typiquement plusieurs programmes nécessaires pour des échanges d'informations dans différents protocoles des niveaux 1 à 4. Tandis que les niveaux 5 à 7 sont pris en charge par les logiciels applicatifs et les middleware.

Pour les échanges d'informations selon les protocoles de niveau 1 et 2, le système d'exploitation demande l'opération au matériel de l'ordinateur par l'intermédiaire d'un pilote informatique, pilote qui peut faire partie intégrante du système d'exploitation ou être fourni par le constructeur du matériel.

Lors de l'envoi d'informations sur le réseau, un logiciel applicatif crée une information, la met en forme conformément aux protocoles des niveaux 7 à 5, puis la transmet au système d'exploitation. Divers programmes du système d'exploitation vont découper cette information en trames, puis vont mettre en forme les trames et les envoyer conformément aux protocoles des niveaux 4 à 1.

Lors de la réception de trames depuis le réseau, divers programmes du système d'exploitation vont tenter de les décoder conformément à différents protocoles des niveaux 1 à 4, puis transformer la suite de trames en un flux continu, qui sera envoyé au logiciel applicatif destinataire. Le logiciel va alors décoder le flux conformément aux protocoles de niveaux 5 à 7. Le logiciel applicatif effectue préalablement une connexion, c'est-à-dire une liaison logique par laquelle il va s'associer avec un flux particulier.

Le choix exact des protocoles utilisés dépend de l'ordinateur concerné et des liaisons réseau qui vont être utilisées. Divers paramètres de configuration permettent d'influencer le choix des protocoles. Ils permettent par exemple d'empêcher l'utilisation de protocoles interdits sur le réseau concerné.

Contrôle d'accès

Article détaillé : Contrôle d'accès logique.

Dans un système d'exploitation multi-utilisateurs, un ensemble de programmes assure la sécurité des informations enregistrées dans les mémoires ainsi que la disponibilité de l'ordinateur, ceci afin de préserver la confidentialité et éviter que de manipulations effectuées par un utilisateur perturbent l'utilisation de l'ordinateur par les autres utilisateurs. Cette fonctionnalité est souvent absente des systèmes d'exploitation pour les appareils personnels.

Dans ces systèmes d'exploitation tout utilisateur doit préalablement décliner son identité avant d'utiliser l'ordinateur. Puis un programme du système d'exploitation vérifie cette identité par rapport à un annuaire ou un référentiel (voir authentification). Le système d'exploitation établit alors une liste des opérations autorisées ou interdites à l'utilisateur en fonction des règlements — en anglais : policies — qui ont été introduits par l'administrateur sécurité – la personne responsable de la sécurité des informations.

Lors de chaque opération demandée par un logiciel applicatif, le système d'exploitation vérifie préalablement si l'utilisateur qui manipule le logiciel applicatif est autorisé à effectuer cette opération. La vérification se fait sur la base des règlements ainsi que des listes de droits d'accès introduits par l'administrateur sécurité. Le système d'exploitation refusera toute opération non autorisée et inscrira le refus dans un journal d'activité.

En particulier, le système d'exploitation peut refuser à un utilisateur de lire, de modifier, ou de supprimer un fichier, selon la liste des droits d'accès introduits concernant ce fichier. Le nom des personnes autorisées à modifier les listes de droits d'accès est également indiqué dans la liste de droits d'accès.

Le système d'exploitation va également refuser la mise hors service de programmes centraux tels que les logiciels serveur ou des programmes du système d'exploitation par tout utilisateur qui n'a pas préalablement reçu le privilège d'effectuer cette opération – selon les règlements introduits par l'administrateur de sécurité.

Lorsqu'un logiciel autonome (bot informatique) demande des opérations au système d'exploitation, le logiciel doit préalablement décliner son identité en tant que produit puis, sur la base de cette identité, le système d'exploitation effectue les mêmes vérifications que pour une personne physique.

Les mécanismes de contrôle d'accès ont aussi pour effet de lutter contre les logiciels malveillants – ceux-ci effectuent souvent des opérations susceptibles de perturber l'utilisation de l'ordinateur.

Interface utilisateur

Un ensemble de programmes du système d'exploitation reçoit les informations envoyées par les logiciels applicatifs, et les place sur une image numérique qui sera envoyée au matériel par l'intermédiaire d'un pilote. En complément un autre ensemble de programmes reçoit les manipulations effectuées par l'usager par l'intermédiaire de pilotes puis les transmettent au logiciel concerné. Ces deux ensembles créent l'interface homme-machine qui permet à un usager de dialoguer avec la machine.

Le système d'exploitation peut dialoguer avec un usager par l'intermédiaire d'un autre ordinateur ou d'un terminal (interface distribuée). Les informations envoyées par les logiciels applicatifs seront alors envoyées à l'autre ordinateur selon un protocole prévu à cet effet, tandis que l'autre ordinateur enverra les manipulations effectuées par l'utilisateur. Voir SSH, RFB ou X Window System.

Lorsque l'interface est en mode texte, l'image numérique est une grille dans laquelle sont placés des caractères d'imprimerie, la grille comporte typiquement 80 colonnes et 35 lignes. L'interface se manipule avec un clavier. Ce type d'interface, qui existe depuis les débuts de l'informatique^{[N 7]} est aujourd'hui remplacé par les interfaces graphiques.

L'interface utilisateur graphique

Article détaillé : Interface graphique.

Dans une interface utilisateur graphique (anglais Graphical User Interface abrégé GUI), l'image numérique est composée par un programme du système d'exploitation par superposition de points, de lignes, de pictogrammes et de caractères d'imprimerie. L'interface se manipule typiquement avec une souris selon le principe WIMP (anglais Windows, Icons, Menus and Pointer device). L'image numérique est créée à l'aide du processeur graphique de l'ordinateur.

Lors des manipulations de la souris, le système d'exploitation déplace l'élément d'image qu'est le pointeur et effectue les calculs nécessaires pour déterminer quel est l'élément de l'image qui se trouve juste en dessous. À chaque élément de l'image peut être associé un programme. Un widget est un programme qui dessine et anime un élément d'image dont l'aspect peut-être celui d'un bouton poussoir, d'une lampe témoin, d'un ascenseur, d'une zone texte, d'un menu, etc. Divers widgets sont fournis avec le système d'exploitation.

Les programmes pour interface graphique sont aujourd'hui (2011) inclus dans tous les systèmes d'exploitation contemporains. Le X Window System est l'ensemble des programmes pour interface utilisateur graphique inclus dans tous les systèmes d'exploitation de la famille Unix.

Logiciels utilitaires

Article détaillé : Logiciel utilitaire.

Un logiciel applicatif sert à assister l'utilisateur dans une activité. Les logiciels utilitaires sont des logiciels applicatifs qui permettent à l'utilisateur d'effectuer des manipulations basiques telles que démarrer des programmes, copier des fichiers ou modifier des paramètres de configuration. Divers logiciels utilitaires sont fournis avec les systèmes d'exploitation.

Un interpréteur de commandes est un programme qui permet d'exécuter d'autres programmes en écrivant leur nom éventuellement suivi de divers paramètres. Il est accompagné de plusieurs programmes qui permettent la manipulation des fichiers (copie, changement de nom…). Ce type de programme est utilisé pour effectuer des manipulations ou exécuter des scripts – suites de manipulations pré-enregistrées (voir commande informatique).

Un environnement de bureau est un programme dans lequel les différents éléments de l'ordinateur (programmes, fichiers, disques durs) sont présentés sous forme de pictogrammes sur lesquels il est possible d'effectuer différentes actions. Il permet d'exécuter des programmes, d'effectuer différentes opérations sur les fichiers (copie, changement du nom, déplacement ou suppression).

Certains programmes permettent à l'utilisateur de modifier les paramètres de configuration du système d'exploitation. Ceux-ci proposent des listes à choix multiples et effectuent des contrôles de validité avant le modifier les paramètres.

D'autres programmes servent à installer des logiciels, c'est-à-dire copier les fichiers dans les emplacements prévus à cet effet, et effectuer les modifications de configuration nécessaire pour rendre le logiciel opérationnel. Ces programmes peuvent aussi servir à consulter la liste des logiciels actuellement installés dans l'ordinateur.

Un système d'exploitation multi-utilisateurs est en général fourni avec des programmes permettant de surveiller l'utilisation — par autrui — de l'ordinateur – consultation de journaux d'activité – ou de modifier les listes de droits d'accès en vue d'autoriser ou d'interdire un fichier à certains utilisateurs.

Organisation générale

Comparaison entre noyau monolithique ou micronoyau

Les différents programmes du système d'exploitation sont typiquement répartis en couches distinctes^{[T 12]}.

La couche supérieure est l'interface de programmation avec les logiciels applicatifs (dont font partie les logiciels utilitaires fournis avec le système d'exploitation).

Au centre, on trouve une ou plusieurs couches qui contiennent les composants principaux du système d'exploitation tels que : les programmes pour les systèmes de fichiers et le réseau, la gestion de mémoire (voir supra), les pilotes, l'ordonnanceur, le gestionnaire d'interruption^{[T 13]}.

La couche inférieure, appelée couche d'abstraction matérielle (anglais hardware abstraction layer abrégé HAL), est chargée de masquer les particularités matérielles et les différences qu'il existe entre les machines sur lesquelles le système d'exploitation sera utilisé^{[T 14]}.

Le noyau

Article détaillé : Noyau de système d'exploitation.

Le noyau (anglais kernel) est un espace mémoire isolé, dans lequel est placé tout ou une partie du système d'exploitation. Dans le langage courant le terme kernel désigne l'emplacement ainsi que l'ensemble des programmes qu'il contient et qui forment le cœur rigide du système d'exploitation. Le contenu du noyau ne peut pas être modifié par inadvertance par les logiciels applicatifs – une modification provoquerait un crash de l'ordinateur.

Noyau monolithique

L'architecture est dite à noyau monolithique lorsque la totalité des programmes du système d'exploitation (en particulier les pilotes, les programmes qui traitent le réseau et le système de fichier) résident dans l'espace du noyau. Dans cette architecture chaque utilisation d'une fonction de l'interface de programmation provoque une commutation de contexte et le passage en mode kernel (voir supra).

Linux, FreeBSD, OpenVMS ou Solaris sont des systèmes d'exploitation à noyau monolithique.

Micro-noyau

L'architecture est dite micro-noyau (anglais microkernel) lorsque le noyau contient le strict minimum, c'est-à-dire l'ordonnanceur et le programme qui simule la mémoire virtuelle, et que la grande majorité des programmes se trouvent en dehors : les pilotes, les programmes qui traitent les systèmes de fichiers ou l'interface graphique, ainsi que les logiciels applicatifs.

Dans cette architecture les nombreux programmes qui se trouvent en dehors du noyau sont isolés les uns des autres, sont exécutés comme des logiciels applicatifs — en concurrence — et utilisent les fonctionnalités du noyau pour s'échanger des messages. L'utilisation des fonctions de l'interface de programmation entraîne l'émission de nouveaux messages.

Minix, QNX ou GNU Hurd sont des systèmes d'exploitation à micro-noyau.

Noyau hybride

Divers systèmes d'exploitation ont une architecture qui a certaines caractéristiques des micro-noyaux et en même temps des noyaux monolithiques. Cette architecture est appelée noyau hybride macro-noyau ou micro-noyau modifié.

Dans cette architecture, la totalité des programmes du système d'exploitation résident dans le noyau, à la façon d'un noyau monolithique. Cependant de nombreux programmes du système d'exploitation sont exécutés en concurrence comme des logiciels applicatifs, à la manière de l'architecture micro-noyau (processus noyau).

Pour les processus du noyau, l'ordonnanceur effectue des commutations de contexte entre les processus de la même manière qu'entre les logiciels applicatifs, ces processus utilisent les fonctions de l'ordonnanceur pour s'échanger des messages et l'utilisation des fonctions de l'interface de programmation entraîne l'émission de messages.

Mac OS X, Windows NT ou NetWare mais également ReactOS sont des systèmes d'exploitation à noyau hybride^[19].

Exo-noyau

Dans l'architecture exo-noyau (du grec exos = hors de), il n'y a pas d'emplacement isolé, et le système d'exploitation est composé de programmes et de bibliothèques logicielles de construction identique à celles des logiciels applicatifs.

L'utilisation de fonctions de l'interface de programmation provoque l'exécution des instructions contenues dans une bibliothèque logicielle du système d'exploitation sans nécessiter une commutation de contexte. Une des bibliothèques logicielle est utilisée pour la transmission et la réception de messages entre les processus, les instructions de l'ordonnanceur sont incluses dans cette bibliothèque.

Mac OS, AmigaOS et Oberon sont des systèmes d'exploitation en architecture exo-noyau.

Quelques exemples

Article détaillé : Liste des systèmes d'exploitation.

Comparaison des principaux systèmes d'exploitation
Année d'apparition	Nom	Famille	Éditeur	Matériel supporté	Utilisation	Noyau	Graphique	Multitâche	Multi-utilisateur	Multiprocesseur	Temps réel
1973	SYSMIC		R2E	Micral	ordinateurs personnels, stations de travail
1977	VMS		DEC	VAX, DEC Alpha, Hewlett-Packard	serveurs, ordinateurs centraux
1978-1985	CP/M		Digital Research	Amstrad CPC, Commodore 128, TRS-80	ordinateurs personnels
1981-1990	DOS		IBM & Microsoft	Compatible PC	ordinateurs personnels
1982	QNX		Quantum Software Systems	compatibles PC, MIPS, PowerPC, ARM	systèmes embarqués, automates industriels
1984	Mac OS		Apple	Apple Macintosh	ordinateurs personnels
1985	TOS		Atari	Atari ST, Eagle, Medusa, Hades, Milan, Firebee, ColdFire	ordinateurs personnels
1985	AmigaOS		Commodore	Commodore Amiga, PowerPC	ordinateurs personnels et consoles de jeu						^[20]
1986	AIX	Unix	IBM	PS/2, RS/6000, PowerPC	ordinateurs personnels, serveurs, stations de travail, superordinateurs		^[21]
1986	Irix	Unix	SGI	machines de SGI	stations de travail et serveurs
1986-1996	NeXTSTEP	Unix	NeXT	Compatible PC, SPARC, Hewlett-Packard	stations de travail
1987-2006	OS/2		IBM et Microsoft	PS/2 et Compatible PC	ordinateurs personnels
1987	Minix		Andrew Tanenbaum	Compatible PC, m68k, SPARC	(pédagogique)^{[N 8]}		^[22]
1989	Symbian OS^{[N 9]}		Symbian ltd^{[N 10]}	Nokia, Siemens, Samsung, Panasonic	téléphones mobiles, smartphone, assistants personnel	^[23]
1990	Windows 3.x	Windows	Microsoft	Surcouche logicielle à DOS	ordinateurs personnels	^[24]
1991	Solaris	Unix	Sun	machines de Sun et x86/64	serveurs, stations de travail, superordinateurs
1991	GNU/Linux	Unix	(communautaire)	nombreux^{[N 11]}	tous						^{[N 12]}
1991^{[N 13]}	Windows NT	Windows	Microsoft	Compatible PC	serveurs, stations de travail, ordinateurs personnels
1994^{[N 14]}	NetBSD	Unix	(communautaire)	nombreux^{[N 15]}	tous
1994^{[N 14]}	FreeBSD	Unix	(communautaire)	nombreux^{[N 16]}	tous
1994^{[N 14]}	OpenBSD	Unix	(communautaire)	nombreux^{[N 17]}	tous
1996	Windows CE	Windows	Microsoft	x86, MIPS, ARM^[25]	smartphone, assistants personnels, automates industriels	^[26]
1996	RTX		Intervalzero	x86, x64^[27]	ordinateurs industriels
1999^{[N 18]}	Mac OS X	Unix	Apple	x86, PowerPC de Apple	ordinateurs personnels, serveurs, station de travail						??
1999	BlackBerry OS		Research In Motion	téléphones mobiles BlackBerry	smartphone blackberry			??			??
2007	Android	Unix	consortium Open Handset Alliance	produits des fabricants du Open Handset Alliance	téléphones mobiles, smartphone, assistants personnels				??	??	??
2007	iOS	Unix	Apple	appareils de Apple (iPhone, iPod, iPad,...)	smartphone, tablette électronique, baladeur numérique						??

Le marché

Parts des systèmes d'exploitation des PC en 2014 dans le monde^[28].

Parts des systèmes d'exploitation des smartphones en 2011 dans le monde.

Née en 1985, la gamme des systèmes Windows de Microsoft équipe en 2008 près de 90 % des ordinateurs personnels, ce qui la place en situation de monopole notamment auprès du grand public. En 2008 ses parts de marché sont descendues en dessous de 90 % pour la première fois depuis 15 ans^[29]. Puis à la suite de la croissance très rapide du marché des smartphones, et du retard pris par Microsoft sur ce marché, ses parts de marché sur les appareils personnels sont passées de 95% en 2005 à 20% en 2013^[30].

Initiée en 1969, la famille de systèmes d'exploitation Unix compte plus de 25 membres^[31]. GNU/Linux, BSD et Mac OS X sont aujourd'hui les systèmes d'exploitation les plus populaires de la famille Unix.

La famille Windows équipe aujourd'hui 38 % des serveurs tandis que la famille Unix équipe 31 %, dont à peu près la moitié avec GNU/Linux^[32]. La famille Unix anime 60 % des sites web dans le monde^[33] et GNU/Linux équipe 95 % des près de 500 superordinateurs du monde^[34]. En 2012, la famille Unix anime 90% des smartphones^{[réf. nécessaire]}.

Né en 1990, Symbian OS est en 2007 le système d'exploitation le plus répandu sur les téléphones mobiles et assistants personnels, avec 67 % de part de marché^[35]. En 2012, les quatre systèmes d'exploitation Android de Google, Symbian, iOS de Apple et Blackberry de Research In Motion occupent ensemble 95% du marché des smartphones. Android, le plus populaire (75%), est en progression, tandis que les autres sont en recul. Les parts de marché de Symbian ne sont plus que de 2.3%^[36].

Du côté des tablettes tactiles, iOS de Apple était le premier système d'exploitation largement diffusé avec plus de 80 % de part de marché en 2010^[37]. Trois ans plus tard sa part de marché est de 20% et celle de Android est de plus de 56%^[38].

Les serveurs et super-ordinateurs sont majoritairement équipés de systèmes d'exploitation de la famille UNIX^[39].

Choix par l'acheteur

De nombreux logiciels applicatifs sur le marché sont construits pour fonctionner avec un système d'exploitation en particulier, ou une famille en particulier et un système d'exploitation est construit pour fonctionner avec une gamme de machines donnée. Pour l'acheteur le choix de la famille de machine limite le choix du système d'exploitation, qui lui-même limite le choix des logiciels applicatifs.

Chaque système d'exploitation, selon la palette de programmes qu'il contient, est construit pour fonctionner avec certains réseaux informatiques. Pour l'acheteur qui possède un réseau informatique (typiquement les entreprises et les institutions) le choix du système d'exploitation dépend de son adéquation au réseau existant de l'acheteur.

L'utilité d'un système d'exploitation pour l'usager est proportionnel au nombre de logiciels applicatifs qui sont prévus pour lui. La popularité élevée d'un système d'exploitation attire les éditeurs de logiciels applicatifs, ce qui accroit encore sa popularité (effet réseau). Ce phénomène fait que le marché est sujet aux situations de monopole.

Apple, Sun Microsystems et Silicon Graphics sont des marques qui fabriquent du matériel informatique et développent des systèmes d'exploitation pour leur propre matériel. Certains systèmes d'exploitation, comme Microsoft Windows, sont vendus avec le matériel informatique, conformément à des accord entre les fabricants.

Concurrence, compatibilité et interopérabilité

La compatibilité d'un système d'exploitation est sa capacité à être utilisé à la place d'un autre, en particulier à exécuter les logiciels applicatifs de l'autre. Le système d'exploitation est dit « compatible » avec l'autre. La compatibilité au niveau source est la capacité pour un système d'exploitation A d'exécuter un logiciel applicatif créé pour B après avoir compilé le code source du logiciel pour la machine A. Et la compatibilité binaire est la capacité pour un système d'exploitation A d'exécuter un logiciel applicatif créé pour B tel quel, sans avoir à le recompiler.

L’interopérabilité est la capacité pour plusieurs systèmes à être utilisés ensemble, par exemple dans un même appareil, ou dans un réseau informatique.

Pour être compatibles, deux systèmes d'exploitation doivent avoir des points communs, notamment sur l'interface de programmation. La compatibilité binaire n'est possible qu'entre deux systèmes d'exploitation qui fonctionnent avec la même famille de processeur.

La compatibilité et l'interopérabilité entre les systèmes d'exploitation sont assurées, par les éditeurs, par alignement de leur produit sur des normes industrielles ainsi que des technologies rendues publiques.

Le système d'exploitation Unix, créé en 1969, a servi de source d'inspiration pour toute une famille de systèmes d'exploitation. Le jeu de la concurrence, très vif dans les années 1980, a conduit les différents membres de la famille Unix à s'éloigner, et perdre la compatibilité les uns avec les autres. Des organismes de normalisation tels que Open Group se sont penchés sur le problème et ont édicté des normes garantissant la compatibilité à travers toute la famille Unix.

Entre 1995 et 2007, Microsoft, éditeur de la suite de systèmes d'exploitation Windows a été l'objet de plusieurs procès pour des pratiques anticoncurrentielles nuisant à la concurrence et à l'interopérabilité. La société a été condamnée par le département de la justice des États-Unis pour violation du Sherman Antitrust Act, ainsi que par la Commission européenne pour violation des traités relatifs à la concurrence dans l'Union européenne.

La popularisation d'Internet dans les années 1990 a contribué à améliorer l'interopérabilité entre les systèmes d'exploitation.

La guerre des Unix et l'Open Group

Le système d'exploitation Unix a été développé par American Telephone & Telegraph (AT&T). Jusqu'en 1975, un accord avec l'État fédéral américain lui interdisait de commercialiser Unix, ayant le monopole de la téléphonie aux États-Unis, le code source du système d'exploitation était par conséquent public. Mais en 1975, ce monopole fut attaqué en justice et en 1982, la société était démembrée par décision de justice. AT&T, née de la fragmentation des activités d’American Telephone & Telegraph, put enfin commercialiser Unix : les ingénieurs de la société partirent du code source de la version 7 (ouverte) pour aboutir à UNIX System V. Simultanément, d'autres éditeurs s'inspirèrent de la version 7 pour créer des systèmes Unix, notamment l'université de Berkeley, avec sa Berkeley Software Distribution^[40] (BSD, 1979). Puis ceux-ci ont servi de source d'inspiration pour d'autres systèmes d'exploitation, et ainsi de suite. En 2009, la famille Unix comptait plus de 25 systèmes d'exploitation.

Le jeu de la concurrence a conduit chaque éditeur à ajouter ses propres améliorations et ses propres fonctionnalités à son système d'exploitation optimisé pour un matériel en particulier. Ceci a amené les différents membres de la famille Unix à s'éloigner, et perdre la compatibilité l'un avec l'autre.

En 1987, dans le but de réunifier la famille Unix, AT&T conclut un accord avec Sun Microsystems (un des principaux éditeurs de système d'exploitation basé sur BSD). Les autres éditeurs ne voyant pas cet accord d'un bon œil, créent la fondation Open Software Foundation (OSF). Dans un même temps, l'Open Group, un consortium de normalisation, publie des normes relatives aux systèmes d'exploitation de la famille Unix^[41]. Les deux institutions sont aujourd'hui fusionnées.

POSIX est le nom donné aux normes IEEE 1003. Cette famille de normes appartenant à l'Open Group a été lancée en 1988 et concerne l'interface de programmation. La conformité d'un système d'exploitation à cette norme assure la compatibilité au niveau source. En 2009, de nombreux systèmes d'exploitations sont conformes à cette norme, y compris en dehors de la famille Unix^[42].

POSIX fait partie de la Single Unix Specification, une norme lancée en 1994 par l'Open Group, qui concerne les systèmes de fichiers, les logiciels utilitaires, ainsi que 1 742 fonctions de l'interface de programmation^[43]. Le nom « Unix » appartient à l'Open Group et tout système d'exploitation doit être conforme à la Single Unix Specification pour être reconnu comme faisant partie de la famille Unix^[44].

Microsoft et la concurrence

En 1995, conformément au Sherman Antitrust Act — une loi des États-Unis pour la prévention de l'abus de position dominante, le département de la justice des États-Unis interdit à Microsoft certaines de ses pratiques considérées comme nuisibles à la concurrence. Deux ans plus tard, un procès est ouvert pour non-respect des interdictions de 1995 : Microsoft obtient l'annulation du procès sur l'argument que « la justice n'est pas équipée pour juger du bien-fondé du design des produits de haute technologie (sic) ».

Entre 1999 et 2001, une enquête est ouverte concernant la position de Microsoft. L'enquête, menée par les juges Thomas Jackson et Richard Posner, amène à la conclusion que Microsoft abuse de sa position de monopole pour pratiquer du « favoritisme » sur le marché connexe des navigateurs Web, des pratiques qui nuisent à ses concurrents, gênent leur émergence et freinent l'innovation^[45]. La société échappe de peu à la scission, et se retrouve dans l'obligation de publier les spécifications de ses technologies, en particulier les interfaces de programmation et les protocoles réseau, ceci afin de préserver l'interopérabilité et la concurrence^[46].

Plus tard, en 2007, Microsoft est condamné par la Commission européenne à une amende de près de 500 millions d'euros pour violation de l'article 82 du traité CE et l'article 54 de l'accord EEE (textes relatifs au droit de la concurrence et l'abus de position dominante) après avoir refusé de publier une de ses spécifications techniques à son concurrent Sun Microsystems ^{[N 19]}. Selon la Commission européenne, les agissements de Microsoft nuisent à l'interopérabilité des systèmes d'exploitation et à la concurrence^[47].

Les réseaux informatiques

Chaque système d'exploitation comporte une palette de programmes relatifs aux protocoles réseau. La composition de la palette dépend du choix de l'éditeur et diffère d'un système d'exploitation à l'autre. Toutefois, deux ordinateurs ne peuvent communiquer ensemble qu'à la condition unique d'utiliser les mêmes protocoles.

La popularisation d'Internet dans les années 1990 a poussé de nombreux éditeurs à inclure dans leur système d'exploitation des programmes relatifs aux protocoles TCP/IP (les protocoles d'Internet), améliorant ainsi l'interopérabilité entre les systèmes d'exploitation.

Notes et références

Notes

↑ Le langage C est un langage de programmation souvent utilisé pour les systèmes d'exploitation en raison de sa puissance et du contrôle total qu'a le programmeur sur la mémoire (A. Tanenbaum, Systèmes d'exploitation, 1.8).
↑ Ce mécanisme qui permet au système d'interrompre un programme en cours d'exécution est nommé préemption (A. Tanenbaum, ibid., 2.4.1, p. 140).
↑ La totalité du code source se trouve dans son livre Operating Systems : Design and Implementation.
↑ L'élimination des limitations de Minix aurait rendu le code source trop difficile à lire et à comprendre par les étudiants en un semestre (A. Tanenbaum, ibid., 10.1.7, p. 766).
↑ Plus précisément, ni le code, ni les données, ni la pile n'ont besoin d'être totalement en mémoire centrale.
↑ Le fait de transférer un segment complet en mémoire de masse est nommé swap out, l'opération inverse swap in.
↑ D'abord sous forme de téléscripteurs, puis de terminaux passifs.
↑ Andrew Tanenbaum, enseignant, utilisait le code source de Minix pour illustrer ses cours sur les systèmes d'exploitation.
↑ anciennement appelé EPOC.
↑ racheté à Psion.
↑ Compatible PC, Macintosh, DEC Alpha, Sparc, Itanium, m68k, etc.
↑ Via la branche du noyau Linux-rt.
↑ Entre 1986 et 1991, les produits de la famille Windows étaient des environnement graphique pour le système d'exploitation DOS.
1 2 3 Scission du projet 386BSD.
↑ Plus de 50 types de machines. Cf. (en) Liste des plateformes supportées par NetBSD.
↑ Compatible PC, ARM, MIPS, Macintosh, DEC Alpha, Sparc, Itanium, Sun Microsystems, Xbox.
↑ Compatible PC, ARM, DEC Alpha, Sparc, etc.
↑ Créé par fusion entre NeXTSTEP et Mac OS.
↑ L'échange de spécifications est une pratique courante dans le marché informatique.

Références

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↑ (en) Top 5 Operating Systems from July 2008 to April 2012 - StatCounter Global Stats
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 (en)Pabitra Pal Choudhury, Operating Systems: Principles and Design, Prentice-Hall of India Pvt. Ltd, 2009 (ISBN 978-8-1203-3811-1).
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↑ Cf. (en) Michael Kerrisk, The LINUX Programming Interface, San Francisco, No starch Press,‎ 2010, 1508 p. (ISBN 9781593272203), « History and Standards », p. 3
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↑ (en) Nicholas Economides, « Microsoft Antitrust, a case study »,‎ avril 2003 (consulté le 30 septembre 2013) [PDF]
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A.Tanenbaum, Systèmes d'exploitation

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↑ Algorithmes de remplacement de pages, ch. 3.4, p. 209).
↑ 12.3.1, p. 999.
↑ 12.3.1, p. 1000.
↑ 11.3.1, p. 882-883 et 12.3.1, p. 999.

Bibliographie

Andrew Tanenbaum, Systèmes d’exploitation, Pearson,‎ 2008, 3^e éd. [détail de l’édition]
Laurent Bloch, Les Systèmes d’exploitation des ordinateurs. Histoire, fonctionnement, enjeux, Vuibert,‎ 2003 (ISBN 978-2-7117-5322-2) [lire en ligne]

Annexes

Liens externes

Notion sur les systèmes d’exploitation - Comment ça marche
L’ascension des systèmes d’exploitation Microsoft - Génération-NT, 29 novembre 2005
Historique des systèmes d’exploitation, et des réseaux micro-informatique sur PC
AideWindows.net
OS X Facile
(fr+en) Plusieurs cours sur les systèmes d’exploitation - Polymorphe.org, [PDF] et [doc]
(en) La Bible Internet des systèmes d’exploitation : principes, historique, familles, spécifications…

Systèmes d’exploitation à but éducatif

KoalaOS : cours sur la création d'un système d'exploitation en C++
SOS : réalisation d'un OS simple, étape par étape, à but éducatif également. Sources et articles téléchargeables.
Zumba : système d’exploitation expérimental (32 bits) destiné à l’électronique, l’automatisme et la robotique.
minix : système d’exploitation expérimental (32 bits).
DoudouLinux : système d'exploitation destiné à l'apprentissage de l'ordinateur, pour les enfants de 2 à 10 ans ; voir le site Doudoulinux.org
(en) Edubuntu : système d'exploitation destiné à l'éducation. Voir article le concernant

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