Présentation
EnglishRÉSUMÉ
Cet article décrit les principes et les implémentations de la mémoire virtuelle. Cette dernière offre à l'utilisateur un espace mémoire le plus grand possible, et ce sans devoir se préoccuper de la taille et de la nature des mémoires physiques réellement disponibles. L'exécution de ses programmes est protégée contre l'interaction avec d'autres programmes. L'espace mémoire virtuel est soit structuré en segments de différentes manières, soit à plat. Dans les deux cas, l'implémentation de la mémoire virtuelle est réalisée par le découpage de l'espace virtuel en pages et des mécanismes de traduction d'adresses virtuelles en adresses physiques.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Daniel ETIEMBLE : Ingénieur INSA Lyon - Professeur à l'Université Paris Sud
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François ANCEAU : Ingénieur INPG Grenoble - Professeur CNAM Émérite
INTRODUCTION
Cet article décrit les principes et les implémentations de la mémoire virtuelle, qui est le niveau de la hiérarchie mémoire compris entre la mémoire principale et les mémoires secondaires (disques magnétiques).
La mémoire virtuelle joue un double rôle. D'une part, elle fournit à l'utilisateur un espace mémoire quasi illimité, sans avoir à se préoccuper de la taille et de la nature (DRAM ou disques) des mémoires physiques réellement implémentées, tout en étant protégé contre les interactions volontaires ou involontaires d'autres programmes, que ce soient les siens ou ceux d'autres utilisateurs. D'autre part, elle réalise, par matériel et par logiciel sous contrôle du système d'exploitation, les transferts nécessaires entre la mémoire principale et les mémoires secondaires lorsque le code ou les données nécessaires ne sont pas dans la mémoire principale.
L'espace mémoire virtuel peut être structuré ou non. La structuration se réalise de différentes manières : segmentation en assembleur, segmentation comme extension d'adresse ou segmentation des machines-systèmes. Sans structuration, l'espace est dit « à plat ». Depuis les processeurs 32 bits, l'espace virtuel, segmenté ou non, est découpé en pages de taille fixe. Les systèmes à plat paginés sont d'abord présentés, avec les techniques de traduction d'adresses (tables des pages directes, tables des pages inverses utilisant le hachage, TLB pour accélérer les traductions) et de protection au niveau des pages. Les différents algorithmes de remplacement sont expliqués. Ensuite, les systèmes avec segmentation et pagination, caractéristiques des machines-systèmes sont présentés d'abord dans le cas général, puis illustrés dans le cas des architectures IA-32, qui utilisent une approche très pure de la segmentation paginée.
La manière dont les systèmes d'exploitation les plus connus implémentent la mémoire virtuelle est ensuite abordée. Multics utilisait la segmentation paginée. VAX-VMS au contraire utilisait une mémoire virtuelle à plat pour laquelle la notion de segments correspondait à des super-pages utilisées comme extension de l'espace d'adressage. Les systèmes Windows sont significatifs de l'évolution des mémoires virtuelles. De la version initiale Windows 1 à Windows Millenium, les systèmes successifs ont utilisé la segmentation paginée implantée dans les différents processeurs IA-32. Cependant, la version Windows NT développée en parallèle à partir de 1993 utilisait un système à plat, prévu pour être portable avec micronoyaux et HAL (couche d'adaptation au matériel), notamment sur les processeurs RISC qui n'utilisent pas la segmentation. Millenium a été le dernier représentant de la gamme utilisant la segmentation. Les versions 64 bits depuis Windows XP utilisent le mode à plat. Linux utilise le mode à plat.
L'histoire des mémoires virtuelles est celle de la naissance, de la vie et de la mort de la segmentation. Elle a disparu dans les versions 64 bits, remplacée par l'adressage à plat.
MOTS-CLÉS
mémoire virtuelle mémoire physique adresse virtuelle adresse logique segmentation pagination traduction d'adresse table des pages TLB algorithmes de remplacement Informatique systèmes d'exploitation
DOI (Digital Object Identifier)
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Présentation
4. Mémoire virtuelle avec segmentation et pagination
4.1 Principe
Comme introduit au § 2.4, la segmentation système (par opposition à l'extension de l'espace d'adressage) consiste en une structuration sémantique de l'espace de travail d'un processus :
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code privé ;
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code public (bibliothèque) ;
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données privées ;
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données globales (constantes, tables mathématiques, etc.).
Les différentes parties sont appelées segments. Chaque segment est décrit par un descripteur de 64 ou 128 bits, qui comprend l'adresse de début du segment, sa taille, les droits d'accès en lecture, écriture et exécution en mode système et utilisateur, etc. Il existe des descripteurs particuliers :
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les portes, utilisées pour franchir les niveaux de protection. Elles permettent à un programme utilisateur d'accéder de manière sûre à une fonction système ;
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les descripteurs de processus/tâches pour les appels de processus ou de tâches.
Les segments peuvent se chevaucher, ou se superposer, voire avoir le même descripteur. Les pages peuvent être communes à deux mémoires virtuelles dans un contexte multiprocesseur, pour la synchronisation ou la communication.
S'il est difficile de trouver des exemples de mémoire virtuelle purement segmentée, il existe de nombreux exemples de segmentation paginée, un segment étant alors constitué de plusieurs pages. Les différentes tailles de segment correspondent alors à un nombre différent de pages.
Le schéma de principe des mémoires virtuelles avec segmentation paginée est présenté en figure 13. Un registre « processus » contient le numéro du processus courant et sa nature (système ou utilisateur). Il indexe une table des processus système et utilisateurs qui pointe sur deux tables de descripteurs de segment. Selon le mode système/utilisateur, le numéro de segment contenu dans...
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Mémoire virtuelle avec segmentation et pagination
BIBLIOGRAPHIE
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(3) - TANENBAUM (A.S.) - Modern operating systems. - Second edition, Prentice Hall (2001).
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