Conservatoire national des arts et métiers
Architectures des systèmes informatiques
CHAPITRE 4
Plus grand svp ! Organisation et gestion de la mémoire
Année 2002-2003

Suite N°3...
 

Je dois avouer que je pouvais lire celle-ci et la suivre pas à pas, mais d'une manière ou d'une autre, je n'ai jamais réellement éprouvé que je la saisissais véritablement.
     Gregory J. Chaitin, souvenirs d'enfance relatifs à la
     démonstration de l'incomplétude des axiomatiques faite par Kurt Gödel.

4.4 LA MÉMOIRE VIRTUELLE
 

La mémoire virtuelle (notée MV dans la suite) est un mécanisme de gestion de mémoire. Ce mécanisme est constitué de deux parties :

• un dispositif câblé de base qui est soit une pagination, soit une segmentation, soit les deux simultanément;
• des programmes de gestion inclus dans le système d'exploitation.

Pourquoi installer une mémoire virtuelle.

• le premier motif est de bénéficier potentiellement de la totalité de la mémoire adressable, c'est à dire d'aller au delà de la mémoire physique; on peut ainsi exécuter des programmes trop grands pour tenir dans la mémoire physique disponible; cette technique automatise les recouvrements (overlay);
• simultanément, elle donne un bon moyen de faire du multi-tâches, du multi utilisateurs et plus encore.

• partage la mémoire physique entre plusieurs processus;
• unifie la façon dont la mémoire est vue par les processus;
• protège les zones de chaque processus les unes par rapport aux autres
• prend en charge le relogement des programmes.

En fonctionnement de mémoire virtuelle  la mémoire centrale est le cache  d'une mémoire au moins aussi vaste, logée sur le disque.

Un motif essentiel à cela, la capacité du disque est considérablement plus grande que celle de la mémoire centrale. Une partie du disque, visible par le système de fichiers comme un fichier, est gérée intérieurement par le système d'exploitation comme s'il s'agissait de la mémoire centrale. Seules les parties immédiatement indispensables à l'exécution par le processeur sont placées en mémoire centrale câblée. La mémoire centrale est le cache de cette mémoire virtuelle.Mettons en correspondance les deux doublets «mémoire centrale et son cache» d'une part et «mémoire virtuelle et mémoire centrale» d'autre part
En termes de ressemblances :

Mémoire centrale et son cache (L2)	Mémoire virtuelle et mémoire centrale
mémoire centrale	partie ou fichier du disque
cache	mémoire centrale
ligne du cache	page ou segment
échec en accès	défaut de page ou de segment
plusieurs politiques de remplacement mises en œuvre par câblage	une politique de remplacement: le moins récemment utilisé mise en œuvre par programme
plusieurs protocoles d'écriture après modification	un seul protocole d'écriture : écriture différée séparée

En termes de dissemblances :

Cache	Mémoire virtuelle
Sa fonction est d'augmenter le débit du processeur	Sa fonction est de rendre plus aisée la manipulation de programmes grands ou nombreux.
La fréquence du défaut peut être moyenne à grande	La fréquence du défaut doit être petite
Le traitement du défaut est fait en mémoire	Le traitement du défaut est fait par accès au disque.

La zone réservée sur le disque porte des noms divers : échange (swap) selon une terminologie ancienne, fichier de pagination (paging file). La gestion de cette zone est parfois statique comme dans Windows 3.1. Elle est le plus souvent dynamique comme dans de Windows 95 si on laisse le système la gérer. Le lecteur en sera convaincu quand sous Windows 95, il passera en mode dos et tapera dir. D'un moment à un autre et sans intervention de l'opérateur ou d'un programme actif, la mémoire annoncée libre sur le disque varie de plusieurs Mo au gré des déchargements différés. Dans Windows 98 encore, on peut consulter le répertoire Windows où se trouve ce fichier caché nommé win386.swp et faire l'expérience suivante :
.mettre l'ordinateur sous tension;
.lancer l'explorateur;
.relever la taille de win386.swp;
.décharger un programme résident s'il y en a;
.relever que la taille de win386.swp a diminué;
.charger un logiciel;
.relever l'augmentation de taille de win386.swp, etc.

Une fois installée, la mémoire virtuelle EST la mémoire principale la mémoire câblée que l'on continue à nommer centrale est alors son cache.

Caractéristiques usuelles de la mémoire virtuelle.
 

Paramètre	Valeur(s)
Taille du bloc	4 ko à 64 ko
Temps d'accès à la mémoire câblée en cas de réussite	40 à 100 cycles d'horloge
Coût total de l'échec en mémoire câblée coût en temps d'accès coût en temps de transfert	700 000 à 6 000 000 de cycles 350 000 à 4 000 000 de cycles 350 000 à 2 000 000 de cycles
Taux d'échec variable selon la taille de la mémoire câblée et le nombre de logiciels lancés	0,00001% à 0,001%

Pourquoi ne pas installer une mémoire virtuelle.

les machines utilisées pour le temps réel et les très grands ordinateurs scientifiques Cray sont deux exceptions notables à l'utilisation généralisée de la mémoire virtuelle.

• le travail en temps réel s'accommode mal des incertitudes attachées aux accès aux disques;
• Cray Research considère que le temps consommé en cas d'échec détaillé ci-dessous est trop grand.

Le processeur a une capacité d'adressage de 2ⁿ mots, couramment n>40. La mémoire câblée est de 2^p mots, couramment p<30. La mise en place d'une mémoire virtuelle (MV) ne concerne pas la seule mémoire câblée mais la totalité adressable. En ce sens on se rapproche de l'attribut du ruban de la machine de Turing, potentiellement infini ou encore aussi long que nécessaire. Le système d'exploitation réservera sur disque une zone de mémoire virtuelle (MV) d'au plus 2ⁿ mots, très probablement beaucoup moins, au fur et à mesure du besoin.

Mémoire virtuelle par pagination

La mémoire est paginée. On veille à ce que la taille de la page soit en quelque façon compatible avec la taille des unités du disque : secteurs et granules.

Mémoire virtuelle par segmentation

Cette technique n'a plus cours. La mémoire est segmentée. Chaque segment a un descripteur, Chaque processus peut avoir plusieurs segments construits par la compilation. La segmentation fonctionne à l'ordinaire. L'outil supplémentaire est une table des groupes des descripteurs de segments effectivement logés en mémoire centrale. Cette table est analogue à la table des tables de pages. Les segments sont logés sur disque et écrits en mémoire centrale en fonction des nécessités, leurs descripteurs sont alors chargés dans les registres.

Mémoire virtuelle mixte

La limite imposée à la longueur des segments dans la mémoire virtuelle segmentée disparaît. En effet, un segment n'aura plus à être chargé en un seul bloc en mémoire centrale. Il suffit d'y loger au moins une de ses pages.

Dans les trois cas, le fonctionnement type consiste, à l'appel du programme à le lire en tant sur le disque en tant que fichier et à l'écrire immédiatement en tant que segment ou zone paginée dans le fichier de mémoire virtuelle. Le segment de code ou sa première partie, ou sa première page est ensuite appelée en mémoire centrale pour exécution.

Ce fonctionnement est en partie observable comme suit. Appelez pour la première fois un programme volumineux, notez le temps mis pour qu'il soit à disposition. Fermez le et rappelez le. Il sera beaucoup plus rapidement disponible car déjà en MV.

Observations :

Mémoire Virtuelle par	Pagination	Segmentation
Mots par adresse	un	deux : segment + adresse
Visible par le programmeur	jamais	possible
Politique de remplacement	simple  (les pages ont toutes la même taille)	complexe  (les segments ont des tailles quelconques)
Mémoire inutilisée	portions de pages	intervalles entre segments
Échanges avec le disque	on peut ajuster la taille de la page	les petits segments sont pénalisants

Note :

La présence et la gestion d'un cache de mémoire ne sont visibles ni par le programmeur ni par le système d'exploitation,
La présence et la gestion de la mémoire virtuelle sont normalement invisibles du programmeur, elles sont prises en charge par le système d'exploitation.

Exemple de gestion de mémoire dans trois systèmes successifs :
Le 8086 déjà aurait pu fonctionner en mémoire virtuelle par sa segmentation. La taille de 1 Mo adressable n'était pas vraiment suffisante pour cela vis-à-vis des 512 Ko de mémoire câblée fréquente et de plus le système d'exploitation MSDOS de Microsoft en était incapable. Néanmoins on a installé quelques versions réduites d'Unix sur ces machines.

Exemple du processeur DEC Alpha 21064 .

Les adresses de ce processeur sont sur 64 bits. Il a été conçu explicitement pour la gestion de la mémoire virtuelle.

• L'adresse de 64 bits est constituée de

        Les autres bits d'adresse sont des adresses d'entrées dans des tables :

  10 bits pour la table des pages de niveau 1 (level1), champ 1;
  10 bits pour une table des pages de niveau 2 (level2), champ 2;
  10 bits pour une table des pages de niveau 3 (level3), champ 3;
  13 bits d'adresse du mot dans la page de 8 ko, déplacement.

• Toutes les tables ont 2¹⁰ soit 1024 entrées de 8 octets, au total 8 ko tenant exactement en une page.
• Parmi les 8 octets d'une entrée d'une table quelconque, 4 définissent une adresse, les 32 autres bits sont utilisables par le système d'exploitation pour noter des caractéristiques comme valide, lisible par l'utilisateur, inscriptible par l'utilisateur, lisible par le noyau du système, inscriptible par le noyau du système et d'autres champs libres.

• un registre unique dit registre de base de la table des pages contient l'adresse physique de début de la table des pages de niveau 1;
• les 10 bits de niveau 1 sont le rang de l'entrée à utiliser dans cette table, cette entrée contient l'adresse de début de la table de niveau 2 ainsi que l'indication de sa présence ou absence en mémoire physique;
• les 10 bits de niveau 2 sont le rang de l'entrée à utiliser dans cette table de niveau 2, cette entrée contient l'adresse de début de la table de niveau 3 ainsi que l'indication de sa présence ou absence en mémoire physique;
• les 10 bits de niveau 3 sont le rang de l'entrée à utiliser dans cette table de niveau 3, cette entrée contient l'adresse de début de la page ainsi que l'indication de sa présence ou absence en mémoire physique;
• les 13 bits donnent l'adresse de l'octet dans la page.

Sur les écritures.

Les pages ou segments modifiés en mémoire câblée sont écrits par le protocole d'écriture différée dans la zone MV. À son tour celle-ci sera déchargée par des écritures différées sur le disque dans le système de fichiers. Ceci est fait en général de façon périodique ou à la fin du processus. Les écritures systématiques à l'extinction de la machine expliquent le temps passé qui s'écoule entre l'ordre d'arrêt et l'extinction.

Sur le repérage à l'intérieur de la zone MV.

L'organisation interne et la gestion de cette zone est à la charge exclusive du système d'exploitation. Lors du chargement de la zone MV, une table des pages (ou une table des segments) est construite qui ne concerne pas la mémoire centrale mais uniquement le chargement sur disque. La technique est la même que pour la mémoire centrale. Les outils, table des pages ou table des segments repèrent les positions des items dans la zone MV qui est considérée comme un fichier par le gestionnaire du disque.

Sur la mémoire virtuelle et le cache du disque en mémoire centrale.

Dans Windows 9x et ME la MV et le cache du disque en mémoire centrale (à ne pas confondre avec le cache câblé sur le contrôleur associé au disque) sont parfaitement distincts. Le gestionnaire de MV décide des pages copiées en mémoire centrale alors que le pilote du cache détermine quelles portions des fichiers du disque, quels qu'ils soient sont placées dans ce cache pour éviter des accès au disque. Ici la main gauche ignore ce que fait la main droite. Il peut en résulter de mauvaises performances.
 

4.4.5 Conclusion

Les caches et la mémoire virtuelle :

• les caches contiennent une partie de la mémoire réelle pour en réduire le temps d'attente;
• la mémoire réelle contient une partie de la mémoire virtuelle pour rendre les items accessibles au processeur;
• néanmoins ces deux techniques ont des comportements et des méthodes semblables.

• la translation :

• la protection :

• le partage :

4.5 LE FICHIER COUPLÉ

La technique du fichier couplé ou fichier dit «mappé» applique la mémoire virtuelle aux fichiers eux-mêmes et plus seulement aux programmes et à leurs zones de données. Le fichier (de données) est considéré comme étant dans l'espace d'adressage virtuel bien sûr. L'accès à un fichier ne relève plus des opérations classiques d'ouverture, lecture, écriture et fermeture. Les opérations sont faites directement sur les éléments du fichier sans entrée ou sortie explicite. Le disque est alors dans toute sa partie utilisée une seule mémoire virtuelle.

Cette technique a été créée dans Multics. Elle a été reprise dans plusieurs Unix et dans Windows NT. Plusieurs systèmes d'exploitation la mettent en œuvre mais elle n'est pas généralisée comme l'est la mémoire virtuelle.