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Le mécanisme qualifié de mémoire virtuelle est apprêté pour simuler la présence ou l'absence de mémoire centrale par manipulation de l'unité de gestion mémoire un composant électronique (anglais Memory Management Unit abrégé MMU). On parle d'un mécanisme courant dans les systèmes d'exploitation contemporains.
La mémoire virtuelle a pour mission de procéder simultanément à plus de programmes que ce que la mémoire centrale peut contenir. Chaque programme n'ayant pas besoin que la totalité des informations qu'il manipule soit présent dans la mémoire centraleN 5, une partie des informations sont stockées dans la mémoire de masse (en général dans un fichier ou une partition de disque dur) habituellement plus importante mais plus lente et sont transférées en mémoire centrale lorsque le programme en a besoinT 7.
Les programmes claustrent un (ou plusieurs) espaces virtuels de mémoire continus pour travailler. Les adresses des données sont dites virtuelles dans la mesure où l'information adressée ne se trouve pas forcément en mémoire centrale, et pas forcément à l'adresse indiquée. Lorsque le programme essaie de lire ou écrire une donnée dans sa mémoire virtuelle, l'unité de gestion de mémoire cherche l'adresse physique correspondant à l'adresse virtuelle sollicitée grâce à une table de correspondance. Si l'emplacement n'est pas présent en mémoire centrale, il n'y aura incontestablement aucune adresse physique correspondante. Le système d'exploitation devra alors chercher à libérer un espace en mémoire centrale en troquant (anglais swap) le contenu d'un emplacement donné de mémoire centrale avec le contenu sollicité, qui se trouve en mémoire de masseN 6, T 8. Cette opération s'effectue automatiquement, à l'insu des programmes.
Des mémoires associatives, encartées dans l'unité de gestion de mémoire, accélèrent le calcul des adresses T 9.Les systèmes d'exploitation se servent généralement de deux mémoires associatives : une pour le mode kernel et une pour le mode utilisateur. La mémoire du mode kernel est agencée de manière à permettre au processeur d'utiliser la totalité de la mémoire centrale disponible lors de l'exécution des programmes du noyau du système d'exploitation. Tandis que celle du mode utilisateur est arrangée de manière à protéger le noyau (qui est ainsi invisible pour le programme en question) lors de l'exécution des programmes hors du noyau.
Chaque programme dispose de sa propre table de correspondance, ce qui permet de les isoler les uns des autres. Lors d'une commutation de contexte, le système d'exploitation placera la table du programme courant dans la mémoire associative T 10. Le système d'exploitation crée également de nouvelles tables pour les programmes qui démarrent et décide quels emplacements de mémoire virtuelle seront ou ne seront pas présents en mémoire centrale






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