Machines, systèmes et réseaux

9.1.1 Dérouler une séquence d'instructions

Dérouler un programme, pour un processeur, c'est répéter quatre gestes — toujours les mêmes :

Figure : Le cycle d'exécution. Le compteur ordinal désigne l'instruction à charger ; tout le reste n'est qu'une manière de le faire avancer autrement que d'un cran.

Un processeur ne connaît ni les fonctions ni les boucles : il exécute des instructions élémentaires, chacune agissant sur des registres — de très petites mémoires internes — ou sur la mémoire principale. Voici un jeu d'instructions minimal, suffisant pour comprendre.

CHARGE  R1, 10
CHARGE  R2, 11
AJOUTE  R1, R2
RANGE   R1, 12

       CHARGE  R1, 20      ; compteur
       CHARGE  R2, 21      ; la valeur 1
boucle: SAUTESI R1, fin    ; si le compteur vaut 0, on sort
       SOUSTRAIT R1, R2    ; compteur = compteur - 1
       SAUTE   boucle
fin:   RANGE   R1, 22

9.1.2 Des circuits qui calculent

Le programme note que « les circuits combinatoires réalisent des fonctions booléennes ». C'est le lien direct avec le chapitre 2 : l'additionneur complet qui y a été écrit — somme $=a\oplus b\oplus r$, retenue $=(a\text{and}b)\text{or}(r\text{and}(a\oplus b))$ — n'était pas un exercice abstrait. C'est la description d'un circuit réel, présent dans l'UAL de toute machine. Additionner deux entiers de 64 bits, c'est enchaîner 64 de ces circuits.

9.2 Le système d'exploitation

9.2.1 La ligne de commande

9.2.2 Droits et permissions

Sur un système Unix, chaque fichier porte trois groupes de trois droits : pour son propriétaire, pour son groupe, et pour les autres. Les trois droits sont lecture (r), écriture (w) et exécution (x).

$ ls -l notes.csv
-rw-r--r--  1 nour eleves  1240  7 aou 14:32 notes.csv
|+-++-++-+
| |  |  +--- les autres    : lecture seule
| |  +------ le groupe     : lecture seule
| +--------- le proprietaire : lecture et ecriture
+----------- type : - pour un fichier, d pour un repertoire

Figure : Les droits d'un fichier. La notation octale n'est pas une coquetterie d'informaticien :

c'est la seule base où un chiffre code exactement un groupe de droits.</div>

Les droits se notent aussi en base huit, chaque chiffre codant trois bits — lecture $=4$, écriture $=2$, exécution $=1$ :

Notation	Octal	Signification
`rw-r--r--`	`644`	le propriétaire écrit, les autres lisent
`rwxr-xr-x`	`755`	programme exécutable par tous
`rw-------`	`600`	privé

iRemarque

C'est l'écriture en base huit du chapitre 1, employée pour ce qu'elle sait faire : un chiffre octal vaut exactement trois bits, et il y a exactement trois droits par groupe. La coïncidence n'en est pas une — c'est pour cela qu'on a choisi l'octal ici, comme on avait choisi l'hexadécimal pour les octets.

Hors programme

« Il ne s'agit pas d'une étude théorique des systèmes d'exploitation. » Ni ordonnancement, ni mémoire virtuelle, ni appels système : on identifie les fonctions, on se sert du système.

9.3 Les réseaux

Capacité attendue

« Mettre en évidence l'intérêt du découpage des données en paquets et de leur encapsulation. Dérouler le fonctionnement d'un protocole simple de récupération de perte de paquets (bit alterné). Simuler ou mettre en œuvre un réseau. »

9.3.1 Pourquoi découper en paquets

Définition 9.4Paquet, encapsulation

Un message transmis sur un réseau est découpé en paquets de taille limitée. Chaque paquet voyage indépendamment, muni d'en-têtes qui indiquent son destinataire, son expéditeur et son numéro d'ordre. L'ajout de ces en-têtes successifs, une couche après l'autre, s'appelle l'encapsulation.

Figure : L'encapsulation. À l'arrivée, chaque couche retire l'en-tête qui la concerne et transmet

le reste à la couche au-dessus, sans jamais l'avoir interprété.</div>

ImportantTrois raisons, toutes pratiques

• Le partage. Si un fichier de 4 Go voyageait d'un bloc, il monopoliserait la ligne pendant toute sa durée. Découpé, il s'entrelace avec les autres communications.
• La reprise sur erreur. Un paquet perdu se retransmet seul ; sans découpage, la moindre erreur imposerait de tout recommencer.
• Le routage. Chaque paquet peut emprunter un chemin différent selon l'état du réseau, et contourner une liaison coupée.

9.3.2 Le protocole du bit alterné

Comment garantir qu'un message est bien arrivé, sur un canal qui peut perdre des paquets ? Le programme cite le plus simple des protocoles.

Emetteur                                    Recepteur
--------                                    ---------
envoie paquet numerote 0        --------->  recoit 0, le garde
attend l'accuse de reception    <---------  renvoie "recu 0"
envoie paquet numerote 1        --------->  recoit 1, le garde
attend                          <---------  renvoie "recu 1"
envoie paquet numerote 0        ---X        PERDU
attend... rien ne vient
delai ecoule : renvoie le 0     --------->  recoit 0, le garde
                                <---------  renvoie "recu 0"

Figure : Le protocole du bit alterné. Un seul paquet est en vol à la fois : le récepteur n'a donc

qu'à distinguer « celui que j'attends » de « celui que je viens de recevoir » — un bit suffit.</div>

Méthode : Pourquoi un seul bit suffit

Le numéro alterne entre $0$ et $1$ — d'où le nom. Cela suffit parce que l'émetteur n'envoie jamais le paquet suivant avant d'avoir reçu l'accusé du précédent : à tout instant, il n'y a qu'un paquet en vol, et le récepteur n'a qu'à distinguer « celui que j'attends » de « celui que je viens de recevoir ».

Le bit résout le cas piégeux : si c'est l'accusé qui se perd, l'émetteur renvoie le paquet ; le récepteur voit alors un numéro qu'il a déjà traité, comprend que c'est un doublon, le jette — et renvoie l'accusé. Sans le numéro, il enregistrerait deux fois la même donnée.

iRemarque

Le programme suggère d'expliquer et de simuler ce protocole « en mode débranché » : deux élèves, des papiers numérotés, et un troisième qui joue le canal en faisant disparaître un message de temps à autre. C'est l'activité qui fait comprendre le mécanisme le plus vite.

9.3.3 Un réseau, ses constituants

Élément	Rôle
Carte réseau	relie la machine au support, porte une adresse physique
Commutateur	relie les machines d'un même réseau local
Routeur	relie deux réseaux, choisit la route des paquets
Serveur DNS	traduit un nom de domaine en adresse IP
Point d'accès	fait la même chose qu'un commutateur, sans fil

iRemarque

Le programme demande que « le rôle des différents constituants du réseau local de l'établissement soit présenté » : le meilleur support est le réseau du lycée lui-même — combien de commutateurs, où est le routeur, par où sort-on vers l'extérieur, qui attribue les adresses.

9.4 Capteurs, actionneurs, interfaces

Capacité attendue

« Identifier le rôle des capteurs et actionneurs. Réaliser par programmation une IHM répondant à un cahier des charges donné. »

Définition 9.5Capteur, actionneur

Un capteur convertit une grandeur physique — température, lumière, pression, position — en une valeur numérique exploitable par un programme. Un actionneur fait l'inverse : il transforme une commande numérique en effet physique — moteur, vérin, chauffage, diode.

Entre les deux, un programme. C'est le schéma de tout système embarqué, du thermostat au robot :

capteur $⟶$ acquisition $⟶$ traitement $⟶$ commande $⟶$ actionneur

def reguler(temperature_mesuree, consigne, marge=0.5):
    """Commande d'un chauffage, en tout ou rien avec hystérésis.

    Renvoie True s'il faut chauffer, False sinon.
    La marge évite que le chauffage ne commute sans arrêt autour de la
    consigne — un défaut classique des régulations naïves.
    """
    if temperature_mesuree < consigne - marge:
        return True
    if temperature_mesuree > consigne + marge:
        return False
    return None          # dans la zone morte : on ne change rien

AttentionPourquoi la marge

Sans elle, un capteur qui oscille de quelques centièmes autour de la consigne ferait démarrer et arrêter le chauffage plusieurs fois par seconde. La marge — on parle d'hystérésis — impose un écart minimal entre l'allumage et l'extinction. C'est aussi, en creux, la leçon du chapitre 2 : on ne compare pas des mesures physiques par égalité.

Piste de projet : Un objet connecté, ou son simulateur

Réaliser un système complet capteur $\to$ programme $\to$ actionneur, avec une interface. Selon le matériel disponible : une carte programmable réelle, ou une simulation où le capteur est remplacé par un curseur à l'écran et l'actionneur par un voyant.

Le cahier des charges doit être écrit avant : ce que le système mesure, ce qu'il commande, selon quelle règle, et comment on vérifie qu'il obéit. C'est la démarche du chapitre 3 — spécifier, puis tester — appliquée à un système physique.

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