Systèmes d'exploitation

1. Introduction : Pourquoi a-t-on besoin d'un système d'exploitation ?

Imaginons un ordinateur sans système d'exploitation : chaque programme devrait savoir comment communiquer directement avec le processeur, la mémoire, le disque dur, la carte graphique... Chaque développeur devrait réécrire le code pour afficher un pixel à l'écran, lire un fichier, ou gérer plusieurs programmes simultanément. Ce serait un cauchemar.

Voici une vidéo de l'institut national de recherche en intelligence artificielle (INRIA), qui explique les principales fonctions d'un OS.

Le système d'exploitation (OS, Operating System) est le chef d'orchestre de l'ordinateur. C'est un logiciel qui :

Abstrait le matériel : les programmes n'ont pas besoin de connaître les détails du matériel
Gère les ressources : partage le processeur, la mémoire et le stockage entre les applications
Assure la sécurité : empêche les programmes de se perturber mutuellement ou d'accéder à des données interdites
Fournit une interface : permet à l'utilisateur d'interagir avec la machine (graphique ou ligne de commande)

Sans OS, votre ordinateur serait une calculatrice géante, incapable de faire tourner plusieurs programmes en même temps ou de gérer des fichiers de manière organisée.

Exemples d'OS

Desktop : Windows, macOS, Linux (Ubuntu, Fedora, Debian...)
Mobile : Android, iOS
Serveur : Linux (CentOS, Alpine), Windows Server
Embarqué : FreeRTOS, Zephyr (dans les objets connectés, voitures, routeurs...)

Il existe des centaines d'OS : voir l'arbre généalogique

2. Démarrage de l'ordinateur (boot process)

Lorsque vous appuyez sur le bouton d'alimentation, l'ordinateur n'a qu'un seul objectif : charger le système d'exploitation en mémoire. Ce processus se déroule en 4 étapes :

2.1 POST (Power-On Self-Test)

L'ordinateur s'allume et le BIOS (Basic Input/Output System) ou UEFI (Unified Extensible Firmware Interface) effectue un test automatique des composants :

Vérification de la mémoire RAM
Détection du processeur
Test de la carte graphique
Inventaire des disques et périphériques

Si un composant est défectueux, le BIOS émet des bips sonores ou affiche un message d'erreur.

2.2 Chargement du BIOS/UEFI

Le BIOS/UEFI initialise le matériel de base et identifie le périphérique de démarrage (disque dur, SSD, clé USB). Il cherche le bootloader sur ce périphérique.

2.3 Chargement du bootloader

Le bootloader (GRUB pour Linux, Bootmgr pour Windows) est un petit programme qui charge le noyau (kernel) du système d'exploitation en mémoire RAM.

2.4 Chargement du noyau

Le noyau prend le contrôle et initialise :

La gestion de la mémoire (allocation de RAM aux processus)
La gestion des processus (création du premier processus : init ou systemd sous Linux)
Les pilotes matériels (pour communiquer avec disques, réseau, clavier, etc.)

À partir de ce moment, l'OS est opérationnel et peut lancer les applications.

graph TD
    A[Démarrage de l'ordinateur] --> B[POST - Power-On Self-Test]
    B --> C[Chargement du BIOS/UEFI]
    C --> D[Identification du périphérique<br>de démarrage]
    D --> E[Chargement du bootloader<br>GRUB, Bootmgr...]
    E --> F[Chargement du noyau<br>du système d'exploitation]
    F --> G[OS opérationnel]

3. Les rôles d'un système d'exploitation

Un système d'exploitation remplit quatre rôles principaux :

3.1 Gestion de la mémoire

Le système d'exploitation alloue de la mémoire RAM aux programmes qui en ont besoin et la récupère quand ils se terminent.

Sans OS : un programme pourrait écraser la mémoire d'un autre programme → plantage général.

Avec OS : chaque programme a son propre espace mémoire isolé. Si un programme plante, les autres continuent de fonctionner.

Exemple concret

Vous ouvrez Chrome (2 Go de RAM), Spotify (500 Mo) et Word (300 Mo). L'OS :

Vérifie qu'il y a assez de RAM disponible
Alloue à chaque programme son propre espace mémoire
Empêche Spotify d'accéder à la mémoire de Word

Si la RAM est pleine, l'OS utilise le swap : il écrit temporairement des données sur le disque pour libérer de la RAM (mais c'est lent).

3.2 Gestion des processus (multitâche)

Un processus est un programme en cours d'exécution. L'OS permet de faire tourner plusieurs processus simultanément en partageant le temps processeur.

Comment ça marche ?

Le processeur ne peut exécuter qu'une seule instruction à la fois (par cœur). L'OS utilise un ordonnanceur (scheduler) qui attribue des tranches de temps (quelques millisecondes) à chaque processus à tour de rôle. Ça va tellement vite qu'on a l'impression que tout se passe en parallèle.

Ordonnancement

0-5 ms : Chrome affiche une page web
5-10 ms : Spotify décode de la musique
10-15 ms : Word vérifie l'orthographe
15-20 ms : Chrome reçoit des données du réseau
...

L'OS bascule entre les processus des milliers de fois par seconde → illusion de simultanéité.

3.3 Gestion du système de fichiers

L'OS organise les données sur le disque sous forme d'arborescence de fichiers et répertoires.

Sans OS : le disque serait une suite d'octets sans structure. Comment trouver vos photos parmi 500 Go de données ?

Avec OS : les fichiers sont organisés en dossiers (ou répertoires), avec des permissions pour contrôler qui peut lire/écrire/exécuter chaque fichier.

Sous Linux, tout commence à la racine / :

/
├── home/           ← Répertoires des utilisateurs
│   ├── alice/
│   └── bob/
├── etc/            ← Fichiers de configuration
├── usr/            ← Programmes installés
│   ├── bin/        ← Exécutables (ls, cd, cat...)
│   └── lib/        ← Bibliothèques partagées
├── var/            ← Données variables (logs, caches)
└── tmp/            ← Fichiers temporaires

3.4 Gestion des pilotes et matériel

Les pilotes (drivers) sont des programmes qui permettent à l'OS de communiquer avec le matériel : carte graphique, imprimante, clavier, disque dur, carte réseau...

Sans pilote : l'OS ne peut pas utiliser le matériel. Exemple : vous branchez une imprimante, mais Windows ne sait pas comment lui envoyer des données → vous devez installer le pilote.

Sous Linux, la plupart des pilotes sont intégrés au noyau ou chargés automatiquement, ce qui explique pourquoi Linux fonctionne souvent "out of the box" sur du matériel standard.

4. Interface CLI vs GUI

4.1 Interface graphique (GUI)

Une GUI (Graphical User Interface) utilise des fenêtres, icônes, menus et souris. C'est ce que vous connaissez avec Windows, macOS, ou les interfaces Linux comme GNOME, KDE, XFCE.

Avantages : intuitif, accessible aux débutants, agréable visuellement.

Inconvénients : consomme beaucoup de ressources (RAM, CPU), moins précis pour certaines tâches.

4.2 Interface en ligne de commande (CLI)

Une CLI (Command Line Interface) utilise un terminal où l'on tape des commandes textuelles.

Avantages :

Rapide : une commande fait en 1 seconde ce qui prendrait 10 clics
Scriptable : on peut automatiser des tâches répétitives
Léger : ne nécessite pas de RAM ni de GPU
Précis : contrôle total sur ce que fait la machine
Distant : on peut administrer un serveur à distance via SSH

Inconvénients : courbe d'apprentissage, il faut connaître les commandes.

CLI sous Windows

Même sous Windows, vous pouvez ouvrir un terminal :

CMD : l'ancien terminal Windows (limité)
PowerShell : plus moderne, avec un langage de script puissant
WSL : Windows Subsystem for Linux, un vrai Linux dans Windows

Terminal Windows

Sur un serveur (machine sans écran, dans un datacenter), il n'y a que la CLI : pas d'interface graphique pour économiser les ressources et améliorer la sécurité.

Résumé

Un système d'exploitation gère le matériel, la mémoire, les processus, et le système de fichiers
Le boot process charge l'OS en mémoire (POST → BIOS → Bootloader → Kernel)
L'OS remplit 4 rôles : gestion de la mémoire, des processus, du système de fichiers, et des pilotes
La CLI est plus rapide et scriptable que la GUI, mais nécessite de connaître les commandes
Les serveurs utilisent uniquement la CLI pour économiser les ressources

Pour aller plus loin :

Arbre généalogique des OS : https://eylenburg.github.io/os_familytree.htm