B.3. Fonctionnement d'un ordinateur : les différentes couches en jeu
L'ordinateur se présente souvent comme quelque chose d'assez abstrait et sa partie visible est très simplifiée par rapport à sa complexité réelle. Cette complexité réside en partie dans le nombre d'éléments mis en jeu ; ces éléments peuvent cependant être regroupés en couches superposées, les éléments d'une couche n'interagissant qu'avec ceux de la couche immédiatement supérieure et de la couche immédiatement inférieure.
En tant qu'utilisateur final, il n'est pas forcément nécessaire de connaître ces détails... du moins tant que tout fonctionne. Une fois confronté au problème « l'accès Internet ne fonctionne plus », il est indispensable de pouvoir retrouver dans quelle couche le problème apparaît : est-ce que la carte réseau (le matériel) fonctionne ? Est-ce qu'elle est reconnue par l'ordinateur ? Est-ce que Linux la reconnaît ? Est-ce que le réseau est bien configuré ? etc. Toutes ces questions vont permettre d'isoler la couche responsable et de traiter le problème au bon niveau.
B.3.1. Au plus bas niveau : le matériel
Let us start with a basic reminder that a computer is, first and foremost, a set of hardware elements. There is generally a main board (known as the motherboard), with one (or more) processor(s), some RAM, device controllers, and extension slots for option boards (for other device controllers). Most noteworthy among these controllers are IDE (Parallel ATA), SCSI and Serial ATA, for connecting to storage devices such as hard disks. Other controllers include USB, which is able to host a great variety of devices (ranging from webcams to thermometers, from keyboards to home automation systems) and IEEE 1394 (Firewire). These controllers often allow connecting several devices so the complete subsystem handled by a controller is therefore usually known as a “bus”. Option boards include graphics cards (where monitor screens will be plugged in to), sound cards, network interface cards, and so on. Some main boards are pre-built with these features, and don't need option boards.
B.3.2. Le démarreur : le BIOS
Le matériel seul n'est cependant pas autonome ; il est même totalement inutile sans qu'une partie logicielle permette d'en tirer parti. C'est le but du système d'exploitation et des applications — qui, de manière similaire, ne peuvent fonctionner sans un ordinateur pour les exécuter.
Il est donc nécessaire d'ajouter un élément de liaison, qui mette en relation le matériel et les logiciels, ne serait-ce qu'au démarrage de l'ordinateur. C'est le rôle principal du BIOS, qui est un petit logiciel intégré à la carte-mère de l'ordinateur et exécuté automatiquement à l'allumage. Sa tâche primordiale consiste à déterminer à quel logiciel passer la main. Il s'agit en général de trouver le premier disque dur contenant un secteur d'amorçage (souvent appelé
MBR pour
Master Boot Record), de charger ce secteur d'amorçage et de l'exécuter. À partir de ce moment, le BIOS n'est généralement plus utilisé (jusqu'au démarrage suivant).
Le secteur d'amorçage contient à son tour un petit logiciel, le chargeur de démarrage, dont la tâche sera de trouver un système d'exploitation et de l'exécuter. Comme ce chargeur de démarrage n'est pas embarqué dans la carte-mère mais chargé depuis un disque dur (ou autre), il dispose de plus de possibilités que le chargeur du BIOS (ce qui explique pourquoi le BIOS ne charge pas le système d'exploitation directement). Le chargeur de démarrage (souvent GRUB sur les systèmes Linux) peut ainsi proposer de choisir quel système démarrer si plusieurs sont présents, avec un choix par défaut faute de réponse dans un délai imparti, avec des paramètres divers éventuellement saisis par l'utilisateur, etc. Il finit donc par trouver un noyau à démarrer, le charge en mémoire et l'exécute.
Le BIOS est également responsable de l'initialisation et de la détection d'un certain nombre de périphériques. Il détecte bien entendu les périphériques IDE/SATA (disques durs et lecteurs de CD-Roms/DVD-Roms), mais souvent aussi les périphériques PCI. Les périphériques détectés sont généralement listés de manière furtive au démarrage (l'appui sur la touche Pause permet souvent de figer l'écran pour l'analyser plus longuement). Si un des périphériques PCI installés n'y apparaît pas, c'est mauvais signe. Au pire, le périphérique est défectueux, au mieux il fonctionne mais il est incompatible avec cette version du BIOS ou de la carte mère. Les spécifications PCI ont en effet évolué au fil du temps et il n'est pas impossible qu'une ancienne carte mère ne gère pas une carte PCI récente.
Nous arrivons alors au premier logiciel qui va s'exécuter de manière durable (le BIOS et le chargeur de démarrage ne fonctionnent que quelques secondes chacun) : le noyau du système d'exploitation. Celui-ci prend alors le rôle de chef d'orchestre, pour assurer la coordination entre le matériel et les logiciels. Ce rôle inclut différentes tâches, notamment le pilotage du matériel, la gestion des processus, des utilisateurs et des permissions, le système de fichiers, etc. Il fournit ainsi une base commune aux programmes du système.
B.3.4. L'espace utilisateur
Bien que tout ce qui se passe au-dessus du noyau soit regroupé sous le vocable d'espace utilisateur, on peut encore différencier des couches logicielles ; mais leurs interactions étant plus complexes que précédemment, la différenciation n'est plus aussi simple. Un programme peut en effet faire appel à des bibliothèques qui font à leur tour appel au noyau, mais le flux des communications peut aussi mettre en jeu d'autres programmes, voire de multiples bibliothèques s'appelant l'une l'autre.