II. LA MEMOIRE VIVE

1. La segmentation de la mémoire

Votre PC est conçu pour gérer 1 Mo (soit 2²⁰ octets) de mémoire vive en mode réel. Il faut donc 20 bits au minimum pour adresser toute la mémoire. Or en mode réel les bus d'adresses n’ont que 16 bits. Ils permettent donc d'adresser 2¹⁶ = 65536 octets = 64 Ko, ce qui est insuffisant !

Afin de pallier ce manque, on utilise deux nombres pour adresser un octet quelconque de la RAM. Le premier est appelé adresse de segment, le second adresse d'offset. Ils seront stockés séparément.

La mémoire est découpée en segments de 64 Ko chacun. Un segment est donc en quelque sorte un gros bloc de mémoire auquel on peut accéder grâce à une adresse de segment qui désigne son numéro. Par exemple, le premier segment est le segment 0000 (en hexa), le deuxième est le 0001, le quarante-deuxième est le 0029, etc... Chaque numéro est codé sur 16 bits, c’est-à-dire 4 chiffres hexa.

Pour accéder à un octet particulier dans un segment, il suffit de compter le décalage de cet octet par rapport au début du segment. Ce décalage est obligatoirement inférieur ou égal à 65535 : il tient bien sur 16 bits lui aussi. On appelle ce décalage « offset ».

L'adresse d'un octet se note XXXX:YYYY où XXXX est l'adresse de segment et YYYY est l'offset (tous deux en notation hexadécimale, bien sûr).

Par exemple, le dix-septième octet de la RAM (le numéro 16) est situé à l'adresse 0000:0010. De même, l’octet 0000:0100 est l'octet numéro 256. Nous en arrivons à la petite subtilité qu’il convient de bien saisir, sous peine de ne rien comprendre à certains programmes en assembleur.

On pourrait penser que l’octet qui se trouve à l’adresse 0001:0000 est le numéro 65536. Il n’en est rien. C'est l'octet numéro 16.

Eh oui ! Les segments ne sont pas situés gentiment les uns à la suite des autres. Ils sont fort mal élevés et n'attendent pas que les segments qui les précédent soient terminés avant de commencer ! Ils se marchent donc sur les pieds.

Autrement dit, le deuxième segment ne démarre pas à l'octet 65536 comme il devrait le faire s'il était bien sage, mais à l'octet 16 ! Le troisième démarre à l'octet 32 et ainsi de suite…

La notion de segment n’est pas tant physique que mathématique : elle sert à se repérer dans la RAM.

La conséquence immédiate de tout cela est qu'un octet n'a pas une adresse unique. Par exemple, l'octet numéro 66 peut être adressé par 0000:0042, mais aussi par 0001:0032, par 0002:0022, par 0003:0012 ou encore par 0004:0002. Toutes ces adresses sont équivalentes.

Voilà pour la subtilité. Si vous avez compris, vous devriez être capable de trouver facilement comment on calcule l'adresse effective d'un octet, c'est à dire sa position absolue dans la RAM.

Allez, un petit effort !

Voici la solution : si l'adresse de l'octet est A17C:022E, alors son adresse effective est A17C x 16 + 022E, soit A17C0 + 022E = A19EE. On a multiplié par 16, car le segment A17C débute à l’octet A17C x 16, puis on a simplement ajouté le décalage.
Au final, on a bien une adresse sur 20 bits puisqu'on obtient 5 chiffres hexa. Chaque petit bloc de 16 octets s’appelle un paragraphe.

Remarque importante : Il est souvent plus simple de considérer qu’un segment est un bloc de taille quelconque qui débute à une adresse effective multiple de 16 et qui permet, à l’aide de son adresse de segment et d’un offset, d’adresser le bloc entier (64 Ko au maximum). Cette définition est à notre avis celle qui a le plus de sens, et nous l'utiliserons tout au long de ce cours.

2. Structure d’un programme en mémoire

Lorsque l’utilisateur exécute un programme, celui-ci est d’abord chargé en mémoire par le système. Le DOS distingue deux modèles de programmes exécutables : les fichiers COM et les fichiers EXE.

La différence fondamentale est que les programmes COM ne peuvent pas utiliser plus d’un segment dans la mémoire. Leur taille est ainsi limitée à 64 Ko. Les programmes EXE ne sont quant à eux limités que par la mémoire disponible dans l’ordinateur.

a) les fichiers COM

Lorsqu’il charge un fichier COM, le DOS lui alloue toute la mémoire disponible. Si celle-ci est insuffisante, il le signale à l’utilisateur par un message et annule toute la procédure d’exécution. Dans le cas contraire, il crée le PSP du programme au début du bloc de mémoire réservé, et copie le programme à charger à la suite.

Mais qu’est-ce donc qu’un PSP ?

Pour simplifier, le PSP (« Program Segment Prefix ») est une zone de 256 (= 100h) octets qui contient des informations diverses au sujet du programme. C’est dans le PSP que se trouve la ligne de commande tapée par l’utilisateur. Par exemple, le PSP d’un programme appelé MONPROG, exécuté avec la commande “MONPROG monfic.txt /S /H”, contiendra la chaîne de caractères suivante : “ monfic.txt /S /H”. Le programmeur a ainsi la possibilité d’accéder aux paramètres.

Voici à titre indicatif la structure simplifiée du PSP (ne vous souciez pas de ce que vous ne comprenez pas : pour l'instant, seules les deux dernières lignes nous intéressent vraiment) :

A présent que nous connaissons l’existence du PSP, il nous faut revenir sur un point important. Comme nous l’avons dit, un programme COM ne peut comporter qu’un seul segment, bien que le DOS lui réserve la totalité de la mémoire disponible. Ceci a deux conséquences. La première est que les adresses de segment sont inutiles dans le programme : les offsets seuls permettent d’adresser n’importe quel octet du segment. La seconde est que le PSP fait partie de ce segment, ce qui limite à 64 Ko – 256 octets la taille maximale d’un fichier COM. Cela implique également que le programme lui-même débute à l’offset 100h et non à l’offset 0h.

b) les fichiers EXE

« Pour un fichier EXE, tout est toujours un peu plus compliqué. »
(Devise du programmeur débutant en assembleur)

Bien qu’il soit possible de n’utiliser qu’un seul segment à tout faire, la plupart des programmes EXE ont un segment réservé au code (c’est ainsi qu’on appelle les instructions du langage machine), un ou deux autres aux données, et un dernier à la pile.

La pile est une mémoire très spéciale qui sert comme son nom l’indique à empiler des données de 16 bits de façon temporaire. On peut ensuite retrouver ces données en les dépilant. Le « dépilage » se fait toujours dans l’ordre inverse de l’empilage.

Le PSP a lui aussi son propre segment. Le programme commence donc à l’offset 0h du segment de code et non à l’offset 100h.

Afin que le programme puisse être chargé et exécuté correctement, il faut que le système sache où commence et où s'arrête chacun de ces segments. A cet effet, les compilateurs créent un en-tête (ou « header ») au début de chaque fichier EXE. Ce header ne sera pas copié en mémoire. Son rôle est simplement d’indiquer au DOS (lors du chargement) la position relative de chaque segment dans le fichier.

3. Les cycles de lecture-écriture

Le code et les variables d’un programme se trouvent dans la mémoire vive. Pour accéder à une donnée en mémoire, le processeur place son adresse dans un bus d’adresse. Un cycle de lecture se met alors en place. Il consiste à retourner la donnée lue au processeur via le bus de données.

Pour l’écriture, l’adresse de la destination est transmise dans le bus d’adresse et la donnée à écrire est placée dans le bus de données.

Ouf !…

Nous aurons l’occasion de revenir sur la mémoire vive dans les autres chapitres pour apporter quelques précisions. Vous devriez mieux comprendre toutes ces notions en lisant la suite, car jusqu’ici nous n’avons pas encore parlé de la façon dont l’ordinateur se sert des adresses pour accéder à des données ou pour exécuter du code. C’est là qu’intervient le microprocesseur...

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