Bibliographie & annexes
Présentation
En anglais
RÉSUMÉ
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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This article describes the principles and implementations of virtual memories. The virtual memory provides the user with a huge memory space without having to worry about the size and nature of the physical memories actually implemented. Its programs are protected against interaction with other programs. The virtual memory can be decomposed into segments or ?flat?. In both cases, the virtual space is decomposed into fixed size pages and mechanisms are used to translate virtual addresses into physical addresses.
Auteur(s)
-
Daniel ETIEMBLE : Ingénieur INSA Lyon - Professeur à l'Université Paris Sud
-
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.
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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
KEYWORDS
virtual memory | physical memory | virtual address | logical address | segmentation | pagination | address translation | page table | TLB | replacement algorithms | Computer | operating systems
DOI (Digital Object Identifier)
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Présentation
Conclusion
En anglais
5. Mémoire virtuelle et système d'exploitation
Dans cette partie, nous ne considérons que la partie du système d'exploitation concernant la gestion mémoire, c'est-à-dire la mémoire virtuelle.
De même, nous ne considérons qu'un nombre limité de systèmes d'exploitation qui font partie de l'histoire des ordinateurs et qui illustrent l'évolution des mémoires virtuelles avec segmentation et pagination vers des mémoires virtuelles à plat, n'utilisant que la pagination.
5.1 Multics
Multics est un système d'exploitation créé par le MIT, Bell Labs et General Electrics dans les années 1960 et repris par Honeywell après le rachat de General Electrics. Il fut utilisé jusqu'à la fin des années 1990 par l'agence américaine NSA et par de nombreuses universités. Sa propriété principale était de disposer d'un espace virtuel très important incluant les périphériques de stockage. Il a été utilisé comme référence pour l'enseignement des systèmes d'exploitation. Les concepts utilisés dans Multics ont été repris dans le système AIX d'IBM.
Multics utilisait la segmentation paginée. Elle correspond au schéma de principe présenté en figure 13. Par rapport à ce schéma, il y a un niveau de table supplémentaire pour la partie segmentation, car la table de descripteurs de segment est elle-même paginée, toutes les pages ayant 1 k mots de 36 bits. L'adresse virtuelle a 34 bits. Par contre, il n'y a qu'un seul niveau de tables des pages. Multics permettait également des pages de 64 mots. L'absence en mémoire d'une table provoquait un défaut de segment, ou un défaut de page selon la table considérée. Multics disposait d'un TLB de 16 entrées utilisant le LRU comme algorithme de remplacement.
HAUT DE PAGE5.2 VAX-VMS
VAX-VMS a été conçu au milieu des années 1970 par la société Digital. VAX était le nom d'une série de mini-ordinateurs 32 bits qui faisait explicitement référence à la mémoire virtuelle : Virtual Address eXtension. VMS pour Virtual Memory System était...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - FOTHERINGHAM (J.) - Dynamic storage allocation in the Atlas including an automatic use of a backing store. - Comm. of theM, vol. 4, p. 435-436, oct. 1961.
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(2) - CARR (R.W.), HENNESSY (J.L.) - WSClock – A simple and effective algorithm for virtual memory management. - Proceeding of the 8th ACM Symposium on Operating Systems principles, p. 87-95 (1981).
-
(3) - TANENBAUM (A.S.) - Modern operating systems. - Second edition, Prentice Hall (2001).
-
(4) - BENSOUSSAN (A.), CLINGEN (C.T.), DALEY (R.C.) - The multics virtual memory : concepts and design. - Comm. Of the ACM, vol. 15, p. 308-318, mai 1972.
-
(5) - JACOB (B.), MUDGE (T.) - Virtual memory in contemporary microprocessors. - IEEE Micro, p. 60-75, juill.-août 1998.
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