Mémoire virtuelle. Ce cours s'intéresse au principe de la mémoire virtuelle. Il aborde notamment les notions liées aux défauts de pages.

Transcription

1 Mémoire virtuelle Ce cours s'intéresse au principe de la mémoire virtuelle. l aborde notamment les notions liées aux défauts de pages. Principe de la mémoire virtuelle La multiprogrammation implique de charger plusieurs programmes en mémoire centrale de manière à obtenir un bon taux d'utilisation du processeur. Supposons comme sur la figure ici que l'exécution des programmes, et soit nécessaire pour obtenir ce taux d'utilisation du cpu satisfaisant. On peut remarquer qu'une fois les programmes et chargés dans la mémoire, toutes les cases sont occupées : le programme ne peut pas être chargé. Mémoire virtuelle Mémoire physique Page Page Page Page Page Page Programme Page Page Page Case Case Case Page Page Page Case Page Page Page Programme Page Case 5 Programme Page Case 6 Espaces d'adressage des programmes Page Case 7 N page, processus MPS / Fig : Cas de figure Lorsque l'on regarde l'exécution d'un processus, on s'aperçoit qu'à un instant donné le processus n'accède qu'à une partie de son espace d'adressage (par exemple la page de code couramment exécutée par le processeur et la page de données correspondante). Les autres pages de l'espace d'adressage ne sont pas accédées et sont donc inutiles en mémoire centrale. Une solution pour pouvoir charger plus de programmes dans la mémoire centrale est donc de ne charger pour chaque programme que les pages couramment utilisées. ci par exemple, seules les pages, et du processus sont chargées ainsi que la page du processus et les pages,, du programme.

2 Puisque les pages d'un espace d'adressage de processus ne sont pas toutes chargées en mémoire centrale, il faut que le processeur puisse détecter leur éventuelle absence lorsqu'il cherche à effectuer une conversion d'adresse paginée vers l'adresse physique. Chaque entrée de la table des pages comporte alors un champ supplémentaire, le bit alidation, qui est à vrai ( ou ) si la page est effectivement présente en mémoire centrale. La figure montre les valeurs des bits de validation pour les tables des pages des trois processus, et, en tenant compte des chargements de leurs pages en mémoire centrale. Ainsi pour le processus, la page est chargée dans la case, le bit de validation est à vrai (). La page est chargée dans la case, le bit de validation est à vrai. Par contre la page n'est pas présente en mémoire centrale et donc le bit de validation est à faux ( pour nvalide) : dans ce cas, le champs n de case n'a pas de signification. Bit de validation 7 Mémoire physique Page Page Page Page Page Page Page Programme Page Page Page Page Page Page Page Page Programme Page Processus Processus Processus 5 6 Case Case Case Case Case 5 Programme Page Page Case 6 Case 7 MPS / Fig : Bit de validation Notion de défaut de pages Que se passetil à présent lorsque qu'un processus tente d'accéder à une page de son espace d'adressage qui n'est pas en mémoire centrale? ci le processus génère une adresse paginée portant sur la page. La MMU accède à la table des pages pour effectuer la conversion adresse paginée, adresse physique et teste la valeur du bit de validation : elle le trouve à faux, ce qui veut dire que la page n'est pas chargée dans une case et donc la conversion ne peut être réalisée. l se produit alors un défaut de page : c'est un déroutement qui oblige le processeur à suspendre

3 l'exécution du programme en cours pour lancer une entrée/sortie qui charge la page manquante en mémoire centrale dans une case libre. Définition : défaut de page Le défaut de page est un déroutement qui oblige le processeur à suspendre l'exécution du programme en cours pour lancer une entrée/sortie qui charge la page manquante en mémoire centrale dans une case libre. Les figures et illustrent le mécanisme de défaut de page. Le processus cherche à convertir l'adresse logique <p,d>. l accède donc à l'entrée de sa table des pages correspondant à l'entrée de la page p, et teste la valeur du bit de validation. Celuici est à faux () indiquant ainsi que la page n'est pas présente. Automatiquement, puisque la traduction vers l'adresse physique ne peut pas être faite, le système lève un défaut de page, qui entraîne une entrée/sortie pour charger la page manquante en mémoire centrale. Le défaut de page charge la page manquante dans une case libre de la mémoire centrale, puis le système met à jour l'entrée de la table des pages correspondant à la page p : le bit de validation passe à vrai et le numéro de case physique contenant la page p est renseigné. Enfin, la traduction vers l'adresse physique reprend. Défaut de page Mémoire Adresse logique p d Registre adresse Table des pages. Déroutement E/S disque adresse table + Table des pages MPS / Fig : Mécanisme du défaut de pages

4 Défaut de page Mémoire Adresse logique p d. Reprise instruction Registre adresse Table des pages adresse table + Chargement de la page case libre 5. Mise à jour table des pages Table des pages MPS / Fig : Mécanisme du défaut de pages Les algorithmes de remplacement de pages Lors d'un défaut de page, la page manquante est chargée dans une case libre. La totalité des cases de la mémoire centrale peut être occupée : il faut donc libérer une case de la mémoire physique globalement (parmi l'ensemble des cases) ou localement (parmi les cases occupées par les pages du processus en défaut). Le système d'exploitation utilise un algorithme pour choisir une case à libérer. Les deux principaux algorithmes sont : FFO (First n, First Out) LRU (Least Recently Used). Algorithme de remplacement de pages FFO Avec cet algorithme, c'est la page la plus anciennement chargée qui est remplacée. La figure 5 donne un exemple du fonctionnement de cet algorithme où l'on suppose une mémoire centrale composée de trois cases initialement vides. La lettre D signale l'occurrence de défaut de pages.

5 Algorithmes de remplacement de page FFO : la page la plus anciennement chargée est la page remplacée Chaine de référence D D D D D D D D D D MPS / 5 Fig 5 : Remplacement de pages FFO. Algorithme de remplacement de pages LRU Avec cet algorithme, c'est la page la moins récemment accédée qui est remplacée. La figure 6 donne un exemple du fonctionnement de cet algorithme où l'on suppose une mémoire centrale composée de trois cases initialement vides. La lettre D signale l'occurrence de défaut de pages.

6 Algorithmes de remplacement de page LRU : la page la moins récemment accédée est la page remplacée Chaine de référence D D D D D D D D D MPS / 6 Fig 6 : Remplacement de pages LRU Complément sur le format d'une entrée de la table des pages d'un processus. Finalement, une entrée de la table des pages d'un processus comprendra souvent les champs suivants : le bit de validation pour indiquer si la page est présente ou non en mémoire centrale le champ A pour Accès qui contient les informations pour l'algorithme de remplacement de pages. Par exemple, pour l'algorithme FFO, ce champ contiendra la date de chargement de la page; pour l'algorithme LRU, la date du dernier accès à la page. Le bit M pour Modification permet de savoir si la page a été modifiée lors de sa présence en mémoire centrale. Si oui, il faudra réécrire cette page sur le disque avant de l'écraser par une nouvelle page. Le champ D pour Droits, qui contient la définition des droits d'accès à la page en lecture / écriture / exécution. Le champ n de case physique, pour la conversion vers l'adresse physique.. Algorithme pour la conversion d'une adresse logique paginée en adresse physique. Nous donnons cidessous le schéma général de l'algorithme suivi par le système d'exploitation lors de la conversion d'une adresse logique vers une adresse physique. Une adresse est un couple constitué des champs page et déplacement.

7 Procedure Conversion (in adresse_virtuelle, out adresse_physique) debut entrée := adresse_virtuelle.page + adresse_table(processus) Si (entrée. = FAUX) alors defaut de page Charger_page(adresse_virtuelle.page, adresse_case); entrée. = vrai; entrée. case := adresse_case; fsi adresse physique := adresse_case + adresse_virtuelle.deplacement; return (adresse_physique); fin Procedure Charger_Page (in page, out case) debut Si (Trouver_case_Libre( ) = FAUX) alors Choisir_case_à_libérer (case_à_liberer, page_victime); si (page_victime.m = rai) alors Ecrire_Disque(page_victime) Fsi Fsi Lire_Disque(case_à_liberer, page) return (case_à_liberer) fin Notion d'écroulement Défintion : Ecroulement On appelle Ecroulement, une haute activité de pagination. Un processus s'écroule lorsqu il passe plus de temps à paginer qu'à s'exécuter. La figure 7 illustre ce phénomène. Elle représente le taux d'utilisation du processeur en fonction du degré de multiprogrammation, c'estàdire en fonction du nombre de processus chargés en mémoire centrale.

8 Sur cette figure, on voit clairement que l'utilisation du processeur augmente jusqu'à un certain seuil au delà duquel cette utilisation chute complètement : cette chute correspond à une trop grande activité de pagination des processus qui passent le plus clair de leur temps en entrée/sortie car ils n'ont pas suffisamment de cases mémoires disponibles pour contenir les pages relatives à leur espace de travail courant. Ecroulement On appelle Ecroulement, une haute activité de pagination. Un processus s'écroule lorsqu'il passe plus de temps à paginer qu'à s'exécuter. MPS / 7 Fig 7 : Phénomène d'écroulement