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1  Mémoire virtuelle paginée

Une MMU, unité de gestion mémoire, est un circuit d'interface sur le bus d'adresse entre le microprocesseur et la mémoire centrale. Dans la pratique, ce circuit est directement intégré sur le silicium du microprocesseur. La MMU transforme une adresse entrante, fournie par le microprocesseur, en une adresse sortante, exploitée par la mémoire.

Le fonctionnement de la MMU que nous considérons est basé sur l'exploitation d'une TLB, Translation Lookaside Buffer ou table des pages suivant le principe suivant :
  1. Elle décode une adresse placée par le microprocesseur sur le bus d'adresse.
  2. En ne considérant que les 20 bits de poids fort sur les 32 bits d'adresse, elle cherche une équivalence dans la TLB.
  3. Si l'équivalence est trouvée, elle forme l'adresse sortante en remplacant les 20 bits de poids fort par les 20 bits d'équivalence trouvés dans la TLB, les 12 bits de poids faible conservés d'une adresse à l'autre constituant le déplacement dans la page courante.
  4. Dans le cas contraire, elle repositionne le PC du microprocesseur sur le début de l'instruction en cours et génère une interruption.
En cas d'interruption, le système d'exploitation peut consulter l'adresse ayant générée celle-ci dans la variable (ou registre) 
unsigned TLB_UNKNOWN_ADDRESS;
et insérer une nouvelle entrée dans la TLB en utilisant la variable/registre 
tlb_entry_t TLB_NEW_ENTRY;
de 44 bits.

Le type tlb_entry_t est défini comme suit : 
typedef  struct _tlb_entry_s tlb_entry_t;
struct _tlb_entry_s {
    int vrt  : 20;   /* poids fort de l'adresse virtuelle */
    int trs  : 20;   /* poids fort de l'adresse physique */
    int ac_r : 1;    /* 0: accès en lecture interdit */
    int ac_w : 1;    /* 0: accès en écriture interdit */
    int ac_x : 1;    /* 0: accès en exécution interdit */
    int lock : 1;    /* 0: peut être vidé de la TLB */
};


Exercice 1   Quelle est la taille en octets d'une page de mémoire de travail selon le fonctionnement de la MMU que nous considérons ?

1.1  Segmentation de la mémoire

Dans un premier cas d'utilisation, il est décidé que la MMU sera simplement utilisée pour découper la mémoire virtuelle selon 3 segments distincts : La mémoire physique quant à elle commence en 0x00000000 et finit en 0x0001D000.

Exercice 2   Proposez une fonction 

 _itdecl void tlb_irq(void);
qui convertit les adresses virtuelles en adresses physiques selon le schéma précédent. Cette interruption est appelée lorsqu'aucune correspondance n'a été trouvée dans la TLB.

1.2  Pagination de la mémoire

De manière moins statique, un système d'exploitation gère en règle générale un ensemble de pages libres qu'il associe aux espaces d'adressages virtuels qu'il crée pour chaque processus. Ainsi les pages physiques sont allouées à la demande.

Exercice 3   Proposez une stratégie pour implémenter les procédures 

void* alloc_page();
void free_page(void* ptr);
Vous pouvez vous inspirer du travail fait sur les systèmes de fichiers.

Pour chaque processus, le système d'exploitation gère un arbre de translation qui lui permet de faire la translation entre adresse virtuelle et adresse physique. L'idée est la suivante : une page de mémoire physique associée au processus contient une table de 1024 entrées. Ces 1024 entrées correspondent à 1024 adresses physiques sur des pages qui sont autant de tables d'indirection de second niveau. Chacune de ces tables contient donc 1024 entrées : 1024 adresses virtuelles. Lorsqu'une adresse virtuelle doit être convertie en adresse physique, le système d'exploitation décompose l'adresse en 3 champs : En considérant l'entrée indirection1 de la première page, le système d'exploitation trouve la table de second niveau. En considérant l'entrée indirection2 de cette table, il trouve l'adresse physique qui a été associée à cette adresse virtuelle. Il est évident que toutes les adresses virtuelles (4 Go) ne sont pas associées à des adresses physiques dans chaque processus. Aussi, bon nombre d'entrées des tables de premier ou second niveau sont nulles.

Exercice 4   Donnez la déclaration des structures de données qui permettent de mettre en oeuvre cette translation d'adresses.

Lorsque le système d'exploitation crée un nouveau processus, il doit créer un nouvel arbre de translation.

Figure 1 : Le modèle de mémoire virtuelle utilisé par Linux.



Exercice 5   Proposez une fonction 

int alloc_translators(int code_size, 
                      int data_size,
                      int bss_size, 
                      int stack_size);
de création d'un arbre de translation qui respecte le modèle d'organisation de la mémoire virtuelle utilisé par Linux, illustré par la figure 1.


Exercice 6   Proposez une nouvelle implémentation de la procédure 

 _itdecl void tlb_irq(void);
qui convertit les adresses virtuelles en adresses physiques selon le nouveau schéma.

1.3  Mémoire partagée



Exercice 7   Proposez une stratégie pour mettre en oeuvre un mécanisme simplifié de mémoire partagée selon les procédures suivantes : 

/* mappe et alloue si nécessaire en mémoire virtuelle */
void* openshm(int key, int size);
/* détache et libère si nécessaire une zone de mémoire partagée */
void closeshm(int key, int size);

[fin provisoire du sujet]
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