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Architecture des ordinateurs 1 - L3

Ce site est dédié aux 3 dernières séances des modules Architecture des ordinateurs (LU3NI029 et LU3NI129) de la licence d'informatique de Sorbonne Université.
Vous y trouverez :

1. les documents sur le MIPS : mode user et mode kernel et celui sur l'environnement des TP
2. les objectifs généraux des séances en lien avec ce que vous avez déjà vu
3. une explication du principe pédagogique utilisé pour présenter le système d'exploitation
4. le fonctionnement des séances de TD-TP, c'est-à-dire ce qui vous est demandé
5. les liens vers les slides des cours en PDF
6. les liens vers les textes de séances de TD et TP.

A. Documents sur le MIPS et sur l'environnement de TP

Vous devez lire ou au moins parcourir ces 3 documents : A1 (MIPS/user), A2 (MIPS/kernel) et A3 (environnement TP).

Vous avez déjà lu le document A1, mais pour pouvoir bien comprendre les notions vues lors des 3 séances, vous devez lire les deux autres. Par exemple, le MIPS fonctionne dans deux modes : le mode user et le mode kernel. Le mode kernel permet aux programmes d'accéder à toutes les ressources de l'ordinateur, ce que cela signifie en détail est présenté dans le document A2. Autre exemple, vous devez exécuter vos programmes sur un prototype virtuel d'ordinateur. La configuration de votre environnement de travail est dans le document A3.

Pour vous aider, le plan des sections de ces documents est recopié ci-après.

• A1. Documentation MIPS32 architecture et assembleur en mode user ⟶
  1. Registres de l'architecture externe accessible en mode user (p. 2)
  2. Espace d'adressage du MIPS32 (p. 4)
  3. Syntaxe et principales directives du langage assembleur (p. 5)
  4. Codage des instructions utilisateur du MIPS32 (p. 9)
  5. Instructions accessibles en mode utilisateur (p. 11)
  6. Appels système de simulateur de processeur Mars (p. 22)
  7. Convention d'appel des fonctions (p. 24)

• A2. Documentation MIPS32 architecture et assembleur en mode kernel ⟶
  1. Modes d'exécution du processeur MIPS
  2. Registres protégés utilisables seulement en mode kernel
  3. Découpage de l'espace d'adressage
  4. Instructions protégées
  5. Cause d'entrée et de sortie du noyau du système d'exploitation
  6. Fonctionnement du registre d'état c0_sr
  7. Fonctionnement du registre de cause c0_cause

• A3. Configuration de l'environnement des TP ⟶
  1. Environnement de travail pour les TP
  2. Prototype virtuel et chaîne de compilation MIPS
  3. Compilation et exécution des programmes

B. Objectifs généraux des 3 séances

Les premières séances de l'UE décrivent l'architecture externe du MIPS (celle visible du programmeur) et la programmation structurée en assembleur (avec des fonctions et une pile). Les programmes réalisés utilisent des structures de données simples telles que des tableaux à une dimension et des enregistrements (les struct du C). L'accès aux entrées-sorties se fait par des demandes de services en utilisant l'instruction syscall du MIPS. Les programmes sont exécutés sur le simulateur de processeur MARS permettant d'observer l'évolution des registres du processeur et l'évolution des segments de mémoire utilisés par le code, les data et la pile.

Il s'avère que, dans cette première partie, l'architecture de l'ordinateur, au centre duquel se trouve le processeur MIPS, n'est pas détaillée et ce que fait l'instruction syscall n'est pas détaillé non plus. Le but des 3 dernières séances est d'étudier plus en détail l'architecture d'un ordinateur simple, de type ​microcontrôleur à base de MIPS, et d'y exécuter une application au-dessus d'un embryon de système d'exploitation qui exécute les appels système, c'est-à-dire les services accessibles grâce à l'instruction syscall.

Concernant le matériel, il est composé d'un processeur MIPS connecté à une mémoire et quelques périphériques. La mémoire contient le code et les données. Les périphériques sont les composants permettant les entrées-sorties (p. ex. le terminal écran-clavier) ou alors les composants offrant un service spécifique (p. ex. le timer qui compte le temps). Vous allez :

1. apprendre à manipuler les deux modes d'exécution du processeur (mode kernel et mode user) ;
2. apprendre à communiquer avec les contrôleurs de périphériques grâce à des registres de commandes accessibles dans l'espace d'adressage du processeur en utilisant les instructions load/store (lw/sw);
3. apprendre à utiliser les lignes d'interruption des contrôleurs de périphériques permettant de prévenir le processeur d'un événement (une ligne d'interruption est un signal électrique à deux états : ON et OFF) .

Concernant le logiciel, il est écrit principalement en langage C et un peu en langage assembleur. Il est composé d'un empilement de couches logicielles. Il y a tout d'abord le code de démarrage du processeur (le boot), puis le noyau du système d'exploitation, puis la bibliothèque système (la libc), et enfin l'application de l'utilisateur. Le code de boot initialise l'ordinateur. Le noyau gère les ressources matérielles et exécute les appels système (syscall). La bibliothèque système (la libc) est un ensemble de fonctions standards tel que fprintf() invoquant l'instruction syscall. Et enfin, l'application de l'utilisateur est un algorithme utilisant les fonctions de la libc. Vous allez :

1. apprendre à programmer en langage C et à utiliser une chaîne de compilation standard (compilateur + éditeur de liens) via un Makefile ;
2. apprendre à exécuter les programmes sur un simulateur d'ordinateur complet avec processeur, mémoire et contrôleurs de périphériques ;
3. comprendre quelques services proposés par un système d'exploitation simple tels que les pilotes de périphérique et les gestionnaires de syscall et d'interruptions.

C. Principe pédagogique

Pour présenter les concepts des systèmes d'exploitation, la méthode employée en général est top-down. On vous présente les services des systèmes (gestion des fichiers, gestion des processus, gestion des communications interprocessus, etc.), puis on vous présente comment un système open source tel que Linux conçu pour rendre ces services. C'est très intéressant, mais le système pris comme base est tellement complexe, qu'il est juste possible d'en voir une petite partie, et certains étudiants perdent la vue d'ensemble. Pour l'UE d'architecture des ordinateurs, c'est une approche impossible parce qu'elle est trop éloignée de l'architecture matérielle.

Nous avons choisi, une approche bottom-up. Nous partons d’une feuille blanche, et nous ajoutons progressivement les services en limitant le nombre de fichiers et la taille des codes. Chaque nouveau service qui s'ajoute s'appuie sur les services précédemment construits.

Il n'y a que trois séances, c'est donc juste le début. La suite est vue au second semestre dans l'UE Archi 2 (LU3NI031) pour ceux que cela intéressent.

D. Fonctionnement des séances de TD et TP

Le but des TD est de préparer le travail que vous devez faire dans le TP. L'idée générale des TP est de créer, très progressivement, un tout petit système d'exploitation. Évidemment, dans le temps imparti, il n'est pas envisageable de créer un système complexe. Ce système est petit, mais il se veut simple à comprendre.

Toutes les séances sont structurées de la même manière. Chaque séance est découpée en étapes qui doivent être suivies dans l'ordre. Chaque étape est indépendante des autres du point de vue des fichiers, c'est-à-dire qu'elle n'utilise pas les fichiers des étapes précédentes et donc s'il y a des fichiers en commun entre les étapes, ceux-ci sont répliqués. Le code fourni est toujours fonctionnel et il y a toujours un Makefile pour produire l'exécutable et le faire tourner sur le simulateur du prototype d'ordinateur. Le code est très commenté et il n'y a pas — ou peu — de "trous" à remplir.

Chaque étape introduit un petit nombre de concepts. Dans la première étape de la première séance, il n'y a que 2 fichiers sources (hcpu.S et kernel.ld) et 1 Makefile simple (de type collection de script Shell). Dans les étapes suivantes, on ajoute progressivement des fichiers et des services.

Le travail demandé pour chaque étape est le suivant :

1. Il faut répondre à des questions de la partie TP portant sur le code et sur l'architecture dans un compte-rendu. Les réponses aux questions sont en général dans le code ou dans les commentaires du code ou dans les réponses aux questions du TD qui a préparé la séance de TP ou enfin, dans les diapositives du cours.
   Le but de ces questions est de pointer les difficultés introduites dans l'étape et de les associer à des éléments de réponses vus précédents. Par exemple, dans la première étape, une question est : « - Quelle est l'adresse en mémoire de la première instruction du MIPS? ». La réponse est dans le cours et dans le TD et dans le fichier ldscript.ld. La réponse est « L'adresse de la première instruction est 0xBFC00000 ».

2. Il faut ajouter une fonctionnalité au programme dans un ou plusieurs fichiers et décrire cet ajout dans le compte-rendu. Cet ajout peut nécessiter la création d'un nouveau fichier source.
   Le but de cet ajout est de s'approprier le code grâce à une petite modification et d'en voir toutes les implications. Par exemple, dans la première étape de la première séance, il est demandé d'afficher deux messages au lieu d'un.

E. Cours

Cours démarrage de l'ordinateur

1. Architecture d'un SoC minimal (SoC = ordinateur intégré sur une puce), celui que vous allez utiliser en TP.
2. Chaîne de compilation du langage C puisque vous allez utiliser le langage C
3. Présentation des piles de couches logicielles pour comprendre comment l'application communique avec le système d'exploitation
4. Présentation du prototype virtuel du SoC que vous allez utiliser en TP

Cours application en mode user

1. Modes d'exécution du MIPS
2. Composants du noyau et de la libc
3. Communication entre kernel.x et user.x
4. Visite guidée du code sur un exemple

Cours interruptions

1. Définition des interruptions
2. Vue matérielle des interruptions
3. Vue logicielle des interruptions

F. Séances de TD et TP

Boot et premier programme en mode kernel

Dans cette séance, il s'agit de comprendre comment un ordinateur simple démarre et comment le programmeur peut interagir avec le monde extérieur via les contrôleurs de périphériques. Il s'agit également d'utiliser le langage C pour les programmes et donc la chaîne de compilation GCC ainsi que d'introduire l'usage d'un Makefile. Nous décrivons aussi les fonctions C pour les entrées-sorties telles que printf() et gets(). Pour toutes les étapes, le nom de l'exécutable produit est kernel.x.

L'architecture de l'ordinateur utilisé dans cette séance est composée d'un processeur MIPS, d'une mémoire multisegment et d'un contrôleur de terminal qui peut contrôler jusqu'à 4 terminaux indépendants.

Application simple en mode utilisateur

Dans cette séance, nous utilisons les deux modes d'exécution du processeur, le mode kernel et le mode user. En mode kernel, le processeur a droit à toutes les instructions et à tout l'espace d'adressage. En mode user, le processeur est bridé, certaines instructions sont interdites et seule une partie de l'espace d'adressage est autorisé. Nous allons voir comment se passe le passage d'un mode à l'autre. Dans toutes les étapes, le code se répartie dans deux exécutables: kernel.x et user.x. Nous allons voir en particulier comment fonctionne le gestionnaire d'appel système.

Gestionnaire d'interruption

Dans cette troisième séance, il s'agit de comprendre comment fonctionnent le gestionnaire des interruptions. Pour cela, nous allons ajouter dans l'architecture deux composants : un timer qui active périodiquement une ligne d'interruption et un concentrateur de lignes d'interruption. Le concentrateur permet de combiner toutes les lignes d'interruptions des contrôleurs de périphériques pour n'en produire qu'une seule à destination du processeur MIPS.