Mémoire virtuelle. Généralités

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1 Mémoire virtuelle Généralités La pagination pure - Conversion d adresses virtuelles en adresses physiques - Table des pages à plusieurs niveau et table inversée - Algorithmes de remplacement de page - Problèmes de l écroulement du système - Retour sur instruction Segmentation / pagination Cas d UNIX et de Linux Cas de Windows Chapitre 9. Généralités Le but de la mémoire virtuelle est de permettre l exécution de programmes dont la taille excède celle de la mémoire réelle. Il y a deux types d adresses dans les systèmes implantant la mémoire virtuelle : Celles référencées par les processus (adresses virtuelles ou logiques), Celles de la mémoire physique (adresses physiques ou réelles). L espace d adressage virtuel d un processus = { adresses virtuelles que le processus peut référencer} Sa taille maximale dépend de l organisation de l espace virtuel (>> à celle de la mémoire physique). Chapitre 9.

2 Généralités () D une manière générale, l espace d adressage est structuré en blocs de : mêmes tailles (pages-> pagination) ou tailles différentes (segments->segmentation). Les deux organisations peuvent être combinées : segment = {pages} Le format de l adresse virtuelle est : (numéro de page, déplacement dans la page) pour la pagination; (numéro de segment, déplacement dans le segment) pour la segmentation; (numéro de segment, numéro de page, déplacement dans la page) pour la segmentation/pagination. Chapitre 9. Généralités () Exemple : supposons que l adresse virtuelle (b, d) est sur bits, n bits pour d : Le nombre maximal de blocs que peut contenir l espace virtuel : -n La taille maximale d un bloc : n n => fragmentation interne et table des blocs n => fragmentation interne et table des blocs La table des blocs d un processus indique quels sont les blocs en mémoire. Elle contient une entrée pour chaque bloc de l espace virtuel du processus. (bit de présence, adresse physique du début du bloc,.). L adresse de la table des blocs fait partie du contexte du processus à sauver ou à restaurer lors du changement de contexte (un registre). Chapitre 9.

3 Généralités () Il faut notamment : Un mécanisme de conversion d adresses virtuelles rapide. Une politique de remplacement de blocs => moins de défaut de blocs. Chapitre 9.5 La pagination pure La mémoire virtuelle et la mémoire physique sont structurées en unités d allocations (pages pour la mémoire virtuelle et cases pour la mémoire physique). La taille d une page est fixe et égale à celle d une case. Elle varie entre 5 octets et 8 Ko. Il n y a pas de fragmentation externe car toutes les pages sont de même taille. Par contre, il peut y avoir une fragmentation interne si la dernière page de l espace d adressage logique n est pas pleine. Chapitre 9.6

4 Exemple Soit un programme de 6 Ko sur une machine Ko de mémoire physique. Son espace d adressage virtuel est composé de 6 pages de Ko. La mémoire physique est structurée en 8 cases (cadres) de Ko. Espace d'adressage virtuel Mémoire physique 6 5 Chapitre 9. Conversion d adresses virtuelles Adresse virtuelle = (numéro de page, déplacement dans la page). Les adresses virtuelles référencées par l instruction en cours d exécution doivent être converties en adresses physiques. La correspondance entre les pages et les cases est mémorisée dans une table appelée table des pages. Le nombre d entrées dans la table est égal au nombre de pages virtuelles. La table des pages d un processus doit être (en totalité ou en partie) en mémoire centrale lors de l exécution du processus. Elle est nécessaire pour la conversion des adresses virtuelles en adresses physiques. Chaque entrée de la table des pages est composée de plusieurs champs, notamment : Le bit de présence Le bit de référence (R) Les bits de protection Le bit de modification (M) Le numéro de case correspondant à la page son emplacement sur disque Chapitre 9.8

5 Conversion d adresses virtuelles () Exemple Supposons que l adresse virtuelle est sur 6 bits : (numéro de page ( bits), déplacement dans la page ( bits)). La conversion est réalisée en examinant l entrée dans la table des pages correspondant au numéro de page. Si le bit de présence est à, la page n est pas en mémoire, il faut alors lancer son chargement en mémoire. Sinon, on détermine l adresse physique en recopiant dans : les bits de poids le plus fort le numéro de case () correspondant au numéro de page () et les bits de poids le plus faible, les bits de poids le plus faible de l adresse virtuelle. Chapitre 9.9 Conversion d adresses virtuelles () Exemple (suite) L adresse virtuelle 896 ( ) est convertie en adresse physique 58 ( ). Adresse virtuelle Table des pages 5 Adresse physique Adresse physique Chapitre 9. 5

6 Conversion d adresses virtuelles () Le MMU Cette conversion d adresse est effectuée par un composant matériel du processeur le MMU : Memory Management Unit (MMU). Le MMU vérifie si l adresse virtuelle reçue correspond à une adresse en mémoire physique (en consultant la table des pages). Si c est le cas, le MMU transmet sur le bus de la mémoire l adresse réelle, sinon il y a un défaut de page. Un défaut de page provoque un déroutement (trap) dont le rôle est de ramener à partir du disque la page manquante référencée (l unité de transfert est la page). Chapitre 9. Conversion d adresses virtuelles (5) Le MMU Chapitre 9. 6

7 Conversion d adresses virtuelles (6) MMU avec mémoire associative Pour accélérer la translation d adresse, le MMU est doté d un composant, appelé mémoire associative, composé d un petit nombre d entrées (8 à ). Ce composant appelé aussi TLB (Translation Lookaside Buffers) contient des informations sur les dernières pages référencées. Chaque entrée est composée de : Un bit de validité Un numéro de page virtuelle Un bit de modification (M) Deux bits de protection Un numéro de case RW R X 8 RW 9 9 RW 6 9 R X 5 R X 5 86 RW 86 RW 5 Chapitre 9. Conversion d adresses virtuelles () MMU avec mémoire associative Lorsqu une adresse virtuelle est présentée au MMU, il contrôle d abord si le numéro de la page virtuelle est présent dans la mémoire associative (en le comparant simultanément à toutes les entrées). S il le trouve et le mode d accès est conforme aux bits de protection, le numéro de case est pris directement de la mémoire associative (sans passer par la table des pages). Si le numéro de page est présent dans la mémoire associative mais le mode d accès est non conforme, il se produit un défaut de protection. Si le numéro de page n est pas dans la mémoire associative, le MMU accède à la table des pages à l entrée correspondant au numéro de page. Si le bit de présence de l entrée trouvée est à, le MMU remplace une des entrées de la mémoire associative par l entrée trouvée. Sinon, il provoque un défaut de page. Chapitre 9.

8 A Début Mémoire Pleine? Oui UCT accède au TLB Non Remplacement de page Page dans TLB? Oui Non Accès à la table de pages Transfert de la page du disque vers la mémoire A Non Page en Mémoire? Mise à jour de la table de pages Gestionnaire de fautes de page Oui Mettre à jour TLB UCT génère l adresse physique Chapitre 9.5 Conversion d adresses virtuelles (8) MMU avec mémoire associative Supposons qu il faille ns pour accéder à la table des pages et ns pour accéder à la mémoire associative. Si la fraction de références mémoire trouvées dans la mémoire associative (taux d impact) est s, le temps d accès moyen est : s * + (-s) *. Chapitre 9.6 8

9 Table des pages à plusieurs niveaux La taille de la table des pages peut être très grande : entrées (plus d million) pour un adressage virtuel sur bits et des pages de Ko. Pour éviter d avoir des tables trop grandes en mémoire, de nombreux ordinateurs utilisent des tables des pages à plusieurs niveaux. Par exemple, une table des pages à deux niveaux, pour un adressage sur bits et des pages de Ko, est composée 5 tables de entrées. Il est ainsi possible de charger que les tables nécessaires. Dans ce cas, une adresse virtuelle de bits est composée de trois champs : un pointeur sur la table du er niveau ( bits), un pointeur sur une table du nd niveau ( bits) et un déplacement dans la page ( bits). Chapitre 9. Table des pages à deux niveaux Chapitre 9.8 9

10 Table des pages inversée Chapitre 9.9 Algorithmes de remplacement de page A la suite d un défaut de page, le système d exploitation doit ramener en mémoire la page manquante à partir du disque. S il n y a pas de cases libres en mémoire, il doit retirer une page de la mémoire pour la remplacer par celle demandée. Si la page à retirer a été modifiée depuis son chargement en mémoire, il faut la réécrire sur le disque. Quelle est la page à retirer de manière à minimiser le nombre de défauts de page? Le choix de la page à retirer peut se limiter aux pages du processus qui a provoqué le défaut de page (allocation locale) ou à l ensemble des pages en mémoire (allocation globale). En général, l allocation globale produit de meilleurs résultats que l allocation locale. Ces algorithmes mémorisent les références passées aux pages. Le choix de la page à retirer dépend des références passées. Chapitre 9.

11 Algorithme aléatoire Critère : choisir au hasard une page victime (à retirer de la mémoire) Facile Version locale et globale Utilisé pour des comparaisons entre méthodes Chapitre 9. Algorithme optimal (BELADY) Critère : remplacer la page qui sera référencée le plus tard possible dans le futur Irréalisable Version locale et globale Intérêt pour faire des études analytiques comparatives Exemple avec cadres Nombre d'accès: Fautes de page: 9 (5%) Chapitre 9.

12 Algorithme FIFO Critère : la page dont le temps de résidence est le plus long Implémentation facile : pages résidentes en ordre FIFO on expulse la première Ce n est pas une bonne stratégie : Son critère n est pas fondé sur l utilisation de la page Anomalie de Belady On peut rencontrer des exemples où en augmentant le nombre de cadres on augmente le nombre de défauts de page au lieu de le diminuer. Chapitre 9. Exemple avec cadres Nombre d'accès: Fautes de page: 5 (5%) Chapitre 9.

13 Chapitre 9.5 Anomalie de Belady Nombre d'accès: Fautes de page: 5 (5%) Exemple avec cadres Chapitre 9.6 Nombre d'accès: Fautes de page: 6 (8%) Anomalie de Belady () Exemple avec cadres

14 Algorithme LRU Critère : page résidente la moins récemment utilisée Basé sur le principe de localité : une page a tendence à être réutilisée dans un futur proche. Difficile à implémenter sans support matériel Chapitre 9. Comment implémenter LRU? Mémoriser pour chaque page en mémoire la date de la dernière référence. Vieillissement : Un registre de n bits est associé à chaque page, Le bit le plus significatif est mis à à chaque référence Régulièrement, on décale vers la droite les bits de ce registre, On choisit la page dont la valeur est la plus petite Utilisation d une pile : Ajouter ou déplacer, en sommet de pile, le numéro de la page référencée, On remplace la page située au fond de la pile. Chapitre 9.8

15 Exemple avec cadres Nombre d'accès: Fautes de page: (6%) Chapitre 9.9 Algorithme de l horloge (seconde chance) Approximation de LRU Les pages en mémoire sont mémorisées dans une liste circulaire en forme d horloge. On a un indicateur sur la page la plus ancienne. Lorsqu un défaut de page se produit, les pages sont examinées, une par une, en commançant par celle pointée par l indicateur. La première page rencontrée ayant son bit de référence R à est remplacée. Le bit R de la page ajoutée est à. Si le bit R d une page examinée est différent de, il est mis à. Une variante de cet algorithme, tient compte du bit de modification M. Chapitre 9. 5

16 Chapitre 9. Performance moyenne des algorithmes Optimal LRU Horloge FIFO Aléatoire Chapitre 9. 6

17 Quel est le nombre de cases allouées à un processus? Allouer un même nombre de cases mémoire à chaque processus. Par exemple, si la mémoire totale fait pages et qu il y a cinq processus, chaque processus recevra pages. Allouer les cases proportionnellement aux tailles des programmes ou en tenant compte des priorités. L architecture impose un nombre minimum. L allocation des cases peut se faire lors du chargement ou à la demande, au cours de l exécution. Working set (espace de travail) : W(t, ) est l'ensemble des pages qui ont fait l'objet d'au moins une référence entre le temps t- et t. On conserve en mémoire les pages référencées entre t et t-. Cet espace de travail ne doit pas excéder une certaine limite. Chapitre 9. Problème de l écroulement du système Le système passe plus de temps à traiter les défauts de page qu à exécuter des processus. Si le nombre de processus est trop grand et l espace propre à chacun sera insuffisant, ils passeront leur temps à gérer des défauts de pages. On peut limiter le risque d écroulement en surveillant le nombre de défauts de page provoqués par un processus. Si un processus provoque trop de défauts de pages (au-dessus d une limite supérieure) on lui allouera plus de pages ; au-dessous d une limite inférieure, on lui en retirera. S il n y a plus de cases disponibles et trop de défauts de pages, on devra suspendre un des processus. Chapitre 9.

18 Problème de l écroulement du système () Chapitre 9.5 Retour sur instruction Sur la plupart des processeurs, les instructions se codent sur plusieurs opérandes. Si un défaut de page se produit au milieu d une instruction, le processeur doit revenir au début de l instruction initiale, avant de lancer le chargement de la page manquante en mémoire. Ce retour sur instruction n est possible qu avec l aide du matériel. Chapitre 9.6 8

19 Segmentation/pagination Dans un système paginé, l espace d adressage virtuel d un processus est à une dimension. Or en général, un processus est composé d un ensemble d unités logiques : les différents codes : le programme principal, les procédures, les fonctions bibliothèques ; Les données ; Les piles d exécution. On peut associer à chaque unité logique un espace d adressage (un segment). Chapitre 9. Segmentation/pagination () L espace d adressage d un processus est composé d un ensemble de segments. Ces segments sont de tailles différentes (fragmentation externe). La segmentation facilite l édition de liens, le partage entre processus de segments de données ou de codes. La segmentation peut être combinée avec la pagination : Chaque segment est composé d un ensemble de pages. Les adresses virtuelles sont des triplets : (numéro du segment, numéro de page, déplacement dans la page) Chapitre 9.8 9

20 Cas d UNIX Les premiers systèmes UNIX utilisaient la technique de va-et-vient. Avant l exécution, un processus est entièrement chargé en mémoire. S il n y a pas assez de place, un ou plusieurs processus sont transférés sur le disque. Le choix du processus à transférer sur le disque dépend essentiellement de trois facteurs : l état bloqué ou prêt, la priorité et le temps de résidence en mémoire. Toutes les quelques secondes, le permuteur (processus de pid ) examine l état des processus transférés sur le disque pour voir si certains d entre eux sont devenus prêts. Si c est le cas, il choisit celui qui est resté trop longtemps sur le disque pour le transférer en mémoire centrale. Cette procédure est répétée jusqu à ce que : il n y ait plus de processus prêts sur le disque ou tous les processus sont nouvellement chargés et il n y a pas assez d espace mémoire. Chapitre 9.9 Cas d UNIX () Le permuteur (swapper ou chargeur) mémorise, dans deux listes chaînées, les espaces libres en mémoire et sur le disque. La stratégie d allocation utilisée est le premier ajustement (première zone libre suffisamment grande). La pagination à la demande a été introduite dans les systèmes UNIX par Berkeley (depuis BSD. et System V). Seules les pages nécessaires à l exécution sont ramenées en mémoire centrale. Le voleur de pages (processus qui exécute l algorithme de remplacement de pages) est réveillé périodiquement ( seconde) pour voir si le nombre de cases libres en mémoire est au moins égal à un seuil min. Si le nombre de cases libres en mémoire est inférieur à min, le Voleur de pages transfère des pages sur le disque jusqu à ce que max cases soient disponibles. Sinon, il se remet au sommeil. Chapitre 9.

21 Cas d UNIX () Pour le choix des pages à transférer, le voleur de page utilise une version améliorée de l algorithme de l horloge. Chaque case est dotée d un bit de référence R qui est mis à à chaque référence. Il parcourt les pages en mémoire et teste leurs bits de référence. S il est à alors le Voleur de page incrémente une variable «âge» associée à la page, sinon le bit de référence est mis à zéro. Lorsque l âge dépasse une valeur donnée, la page est placée dans l état disponible pour le déchargement. Chapitre 9. Cas d UNIX (5) Mémoires virtuelles et mémoire physique Chapitre 9.

22 Cas d UNIX (6) Table des pages #cadre Age Copie En Ecriture M R P Protection Table des cadres (État de la mémoire) État du cadre #Ref Périphérique numéro block Pointeur Entrée suivante Chapitre 9. Cas de Linux Chaque processus sur une machine de -bit a GB d espace d adressage virtuel, le GB restant est réservé aux tables des pages et certaines données du système d exploitation. L espace d adressage est composé d un ensemble de régions. Chaque région est un ensemble de pages contiguës. Par exemple, le segment de code est une région. Allocation d espace par subdivision Table des pages à niveaux Chapitre 9.

23 Cas de Linux () La mémoire centrale est gérée comme suit : Initialement, la mémoire est composée d une seule zone libre. Lorsqu une demande d allocation arrive, la taille de l espace demandé est arrondie à une puissance de. La zone libre initiale est divisée en deux. Si la première est trop grande, elle est, à son tour, divisée en deux et ainsi de suite... Sinon, elle est allouée au demandeur. Toutes les zones ont des tailles qui sont des puissances de deux. Le gestionnaire de la mémoire utilise un tableau qui contient des têtes de listes. Le premier élément du tableau contient la tête de la liste des zones de taille. Le deuxième élément contient la tête de la liste des zones de taille Cet algorithme conduit vers une importante fragmentation interne. Les espaces non utilisés (de la fragmentation interne) sont récupérés et gérés différemment. Lors de la libération de l espace, les zones contiguës de même taille sont regroupées en une seule zone. Chapitre 9.5 Cas de Linux () Chapitre 9.6

24 Cas de Linux () Comme dans UNIX, un démon se charge de maintenir au moins un certain nombre de pages libres en mémoire. Il vérifie périodiquement ( seconde) ou après une forte allocation d espace, l espace disponible. Si l espace disponible devient insuffisant, il libère certaines cases (pages) en prenant soin de recopier sur disque celles qui ont été modifiées (l algorithme de l horloge). Chapitre 9. Cas de Linux (5) Adresse virtuelle Chapitre 9.8

25 Windows Dans Windows, chaque processus a un espace d adressage virtuel ( GB). Une adresse virtuelle est sur bits (ou 6 bits). L espace d adressage virtuel est composé de pages contiguës (pas de segmentation). La taille d une page est de Ko sur le Pentium. Lorsqu on lance un processus, aucune de ces pages n est en mémoire. Les pages sont chargées dynamiquement (défauts de page). Chaque processus a un espace de travail (pages du processus chargées en mémoire). Si un défaut de page se produit et l espace de travail du processus fauteur est inférieur à une certaine limite, la page est chargée en mémoire. Elle est donc ajoutée à l espace de travail du processus. Par contre, si un défaut de page se produit et l espace de travail du processus fauteur est supérieur à une certaine limite, une page parmi celles de l espace de travail du processus est remplacée par la nouvelle page (algorithme local d allocation). Chapitre 9.9 Windows () Si le système constate qu un processus provoque beaucoup plus de défauts de page que les autres, il peut augmenter la taille limite de l espace de travail du processus. Toutes les secondes, un processus léger démon vérifie s il y a suffisamment de pages libres. Si c est le cas, il retire certaines pages. Le choix des pages à retirer dépend de plusieurs paramètres : les états des processus en mémoire, les tailles de leurs espaces de travail, Chapitre 9.5 5

26 Windows () Chapitre 9.5 Hiérarchie de mémoire Hiérarchie de mémoires Registres Cache Mémoire principale Mémoire de réserve Mémoire de masse Chapitre 9.5 6

27 Mémoire cache La mémoire cache est une mémoire à temps d accès très court ( ns). Elle coûte plus chère. Le temps d accès à la mémoire principale est ns. La mémoire cache est placée entre le processeur et la mémoire centrale. Dans un système à pagination, lorsqu une une adresse virtuelle est référencée, le système examine si la page est présente dans le cache. Si c est le cas, l adresse virtuelle est convertie en adresse physique. Sinon, le système localise la page puis la recopie dans le cache. Le but du cache est de minimiser le temps d accès moyen. Temps d accès moyen = temps d accès + taux d échec * temps de traitement de l échec Chapitre 9.5 Exercice Caractéristiques du système : Mémoire physique de 6 mots de 8 bits Taille d une page = mots Table des pages à deux niveaux: Adresse virtuelle sur 6 bits : bits (niv. ), bits (niv. ), bits (décalage) Une entrée dans la table des pages sur 8 bits: - bits de contrôle : bit de présence, bit de référence (,) si bit de présence = et bit de référence =, la page est dans la zone de ««swap» - 6 bits pour l adresse Deux processus P et P sont en mémoire. La table de premier niveau de P commence à La table de premier niveau de P commence à 5. Supposez que l état courant de la mémoire est : Chapitre 9.5

28 Chapitre 9.55 Chapitre

29 Chapitre 9.5 9