發(fā)布時間：2018-04-17 12:59

  本文選題：高效能移動計(jì)算 + 非易失存儲器　； 參考：《山東大學(xué)》2017年博士論文

【摘要】：隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展、移動通信技術(shù)的成熟以及分布式計(jì)算的普及,移動計(jì)算(Mobile Computing)逐漸融入到人們的生活中。通過移動計(jì)算技術(shù),人們可以隨時隨地實(shí)現(xiàn)信息的交互與資源的共享。隨著越來越多的智能設(shè)備參與到移動計(jì)算中,在可以預(yù)見的未來,移動計(jì)算將徹底改變?nèi)藗兊纳罘绞胶蜕盍?xí)慣,具有極大的發(fā)展前景和發(fā)展空間。伴隨移動計(jì)算技術(shù)的飛速發(fā)展,不斷涌現(xiàn)的應(yīng)用場景和應(yīng)用需求對移動計(jì)算技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。其中,性能和能耗問題尤顯突出,是困擾移動計(jì)算技術(shù)發(fā)展的兩大難題。為應(yīng)對日益復(fù)雜的計(jì)算任務(wù),移動計(jì)算終端需要不斷提高其性能以保證任務(wù)的正常執(zhí)行。面對移動終端有限的電池容量,如何在保證任務(wù)完成的前提下盡可能多地降低能耗也是目前迫切需要解決的問題。此外,移動計(jì)算活動的正常進(jìn)行不僅需要靈活的網(wǎng)絡(luò)管理和控制,而且在計(jì)算規(guī)模越來越大的情況下,需要盡可能地保證消息的低延時傳遞。新型非易失存儲器(Non-VolatileMemory,NVM)的出現(xiàn),為以上問題的解決提供了改良和變革的契機(jī)。不同于傳統(tǒng)靜態(tài)隨機(jī)存儲器(Static Random Access Memory,SRAM)和動態(tài)隨機(jī)存儲器(Dynamic Random Access Memory,DRAM)的低功耗、非易失、高密度特性使其具有廣闊的應(yīng)用前景。低功耗特性可使移動終端日益增長的存儲系統(tǒng)能耗獲得改良;非易失特性消除了當(dāng)前移動終端為保證數(shù)據(jù)一致性而導(dǎo)致的性能損失;高密度特性提高了存儲系統(tǒng)的空間可擴(kuò)展性,對有較大空間需求的場景具有較好的表現(xiàn)。然而,相比于傳統(tǒng)存儲器,非易失存儲器還有許多難以回避的問題,諸如讀寫延遲較長、讀寫不均衡以及一般都具有寫耐久的限制。因此,如何合理地利用非易失存儲器解決當(dāng)前以及未來移動計(jì)算中存在的問題,同時克服其固有的缺陷,是一個值得研究的重要問題。本文圍繞新型非易失存儲系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化策略展開了研究,旨在解決阻礙高效能移動計(jì)算發(fā)展的諸多障礙。本文首先針對當(dāng)前移動終端越來越高的能耗問題展開研究,利用NVM低功耗的特點(diǎn)對該問題進(jìn)行了探索。將任務(wù)安排在NVM中執(zhí)行盡管可以取得能耗的節(jié)省,但由于NVM相比于DRAM具有較低的性能,因此,將任務(wù)安排在NVM中執(zhí)行將導(dǎo)致任務(wù)執(zhí)行時間的增加。由于許多移動計(jì)算任務(wù)存在實(shí)時性約束,執(zhí)行時間的增加將導(dǎo)致任務(wù)存在不能在其截止期(deadline)前完成的風(fēng)險(xiǎn)。為此,本文采用了一種混合NVM和DRAM的主存架構(gòu),該架構(gòu)綜合利用NVM低功耗與DRAM高性能的優(yōu)勢保證任務(wù)集在可調(diào)度的前提下,盡可能地將更多的任務(wù)安排在NVM中執(zhí)行,以取得最大的能耗節(jié)省。針對非周期任務(wù)集,本文提出了一種非周期任務(wù)離線調(diào)度(Offline-Aperiodic)算法,而針對周期任務(wù)集,本文分別考慮了靜態(tài)優(yōu)先級調(diào)度策略和動態(tài)優(yōu)先級調(diào)度策略,并以兩種調(diào)度策略的代表性調(diào)度算法速率單調(diào)(Rate Monotonic,RM)調(diào)度算法和最早截止期優(yōu)先(Earliest Deadline First,EDF)調(diào)度算法為例,提出了相應(yīng)的 Offline-RM 和 Offline-EDF 離線調(diào)度算法。本文提出的離線調(diào)度算法為所有的任務(wù)預(yù)留了其最差情況執(zhí)行時間(Worst-case Execution Time,WCET),以保證任務(wù)集的可調(diào)度性。實(shí)驗(yàn)表明,相比于傳統(tǒng)DRAM主存架構(gòu)的調(diào)度算法,本文提出的三個面向混合主存的離線調(diào)度算法分別取得了 28.8%、25.69%和38%的平均能耗節(jié)省。由于任務(wù)的實(shí)際執(zhí)行時間往往遠(yuǎn)小于任務(wù)的最差情況執(zhí)行時間,因此,已完成的任務(wù)節(jié)省出來的空余時間(Slack time)可以進(jìn)一步分配給未完成的任務(wù),以使更多的任務(wù)可以安排在NVM中執(zhí)行。為此,在離線調(diào)度算法的研究基礎(chǔ)上,本文提出了能量感知的實(shí)時任務(wù)在線調(diào)度算法。對于非周期任務(wù)集,當(dāng)任務(wù)執(zhí)行完成時,我們對其產(chǎn)生的空余時間進(jìn)行回收,并檢查是否可以將更多的任務(wù)安排在NVM中執(zhí)行。對于周期任務(wù)集,由于任務(wù)周期性到達(dá),空余時間的分配可能會對后續(xù)的任務(wù)產(chǎn)生影響,同時,不同優(yōu)先級任務(wù)的搶占行為進(jìn)一步增加了任務(wù)集無法調(diào)度的風(fēng)險(xiǎn)。為此,針對RM調(diào)度算法,本文提出的在線調(diào)度算法針對最近的deadline進(jìn)行空余時間的分配;而對于更加靈活的EDF算法,本文則從全局的角度對可用的空余時間進(jìn)行管理,通過引入隊(duì)列Ready-Oueue和Preempt-Queue避免了不安全的時間分配。為避免任務(wù)在不同存儲介質(zhì)間的遷移造成過多的開銷,本文提出周期任務(wù)在線調(diào)度算法確保了每一個任務(wù)實(shí)例在其執(zhí)行過程中最多遷移一次。實(shí)驗(yàn)表明,本文提出的實(shí)時任務(wù)在線調(diào)度算法相比于離線調(diào)度算法取得了進(jìn)一步的能耗節(jié)省。此外,為應(yīng)對日益復(fù)雜的計(jì)算任務(wù),移動計(jì)算設(shè)備需要不斷提高性能以保證任務(wù)的正常執(zhí)行。然而,當(dāng)前移動終端采用的日志文件系統(tǒng)卻阻礙了系統(tǒng)性能的提升。隨著數(shù)據(jù)的價(jià)值越來越大,為了保證數(shù)據(jù)可靠性,日志文件系統(tǒng)采用"日志"機(jī)制避免系統(tǒng)因意外崩潰而導(dǎo)致的狀態(tài)不一致。日志機(jī)制在執(zhí)行文件系統(tǒng)更新操作時,首先將要更新的數(shù)據(jù)寫入外存的一塊"日志區(qū)域",之后才執(zhí)行真正的文件系統(tǒng)更新。當(dāng)系統(tǒng)崩潰時,未完整提交的數(shù)據(jù)可以通過日志區(qū)域進(jìn)行恢復(fù)。顯然,日志機(jī)制造成了大量的額外寫操作。產(chǎn)生該問題的根源在于當(dāng)前基于DRAM的Buffer Cache是易失性的,系統(tǒng)崩潰時,正在操作中的數(shù)據(jù)會因系統(tǒng)斷電而丟失。由于NVM是非易失的,在數(shù)據(jù)完全更新到文件系統(tǒng)之前,該數(shù)據(jù)會一直安全地存在于NVM中,從而避免了日志機(jī)制導(dǎo)致的額外I/O操作。因此,本文利用NVM和DRAM的混合Buffer Cache架構(gòu)減少日志機(jī)制導(dǎo)致的性能損失。為了更好地利用該架構(gòu),本文提出了一個"日志感知的頁面管理策略"(Joumaling-Aware Page Management,JAPM),該策略針對日志開銷進(jìn)行了優(yōu)化,同時克服了NVM在寫壽命和寫速度方面的缺點(diǎn)。此外,針對該架構(gòu)中同一個事務(wù)的數(shù)據(jù)可能會分布在不同存儲介質(zhì)上的情況,本文進(jìn)一步提出了一個"部分就地提交"(Partial In-Place Commit,PIPC)的日志機(jī)制協(xié)調(diào)不同的日志提交方式以保證事務(wù)執(zhí)行的原子性語義。實(shí)驗(yàn)表明,本文提出的策略在保證數(shù)據(jù)可靠性的前提下,有效地降低了文件系統(tǒng)的日志開銷,提高了系統(tǒng)性能。高效能移動計(jì)算的實(shí)現(xiàn)一方面得益于移動終端能力的增強(qiáng),而另一方面則依賴于靈活、高效的移動互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。在未來網(wǎng)絡(luò)規(guī)模越來越大的情況下,不僅需要保持網(wǎng)絡(luò)的靈活性、可控性,而且需要盡可能地減少網(wǎng)絡(luò)的控制能耗,同時保證消息的高性能傳遞。隨著越來越多的設(shè)備參與到移動計(jì)算中,當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和通信設(shè)施在可控性和轉(zhuǎn)發(fā)性能方面面臨新的挑戰(zhàn)。為此,本文提出了一個軟件定義的移動計(jì)算架構(gòu),并對該架構(gòu)中較高的控制開銷問題進(jìn)行了優(yōu)化,同時針對移動計(jì)算中較高的移動性問題提出了相應(yīng)的應(yīng)對策略。新架構(gòu)的引入實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)的靈活控制,但卻進(jìn)一步增加了傳統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備的壓力。由于當(dāng)前交換設(shè)備一般采用TCAM(Ternary Content Addressable Memory,三態(tài)內(nèi)容尋址存儲器)進(jìn)行規(guī)則的快速匹配,而基于SRAM的TCAM無論是在存儲容量還是功耗方面均遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了當(dāng)前及未來的需求。考慮到NVM高存儲密度、低靜態(tài)功耗的特點(diǎn),本文提出了一個基于SRAM和NVM的混合TCAM架構(gòu)。為更好地利用該架構(gòu),本文提出了一個面向混合TCAM架構(gòu)的規(guī)則調(diào)度算法(Rule Scheduler for Hybrid TCAM,RSHT)。該算法將最常用的轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則放在nvTCAM(NVM-based TCAM)中以提高混合TCAM的轉(zhuǎn)發(fā)性能,同時將不常用的規(guī)則放在sTCAM(SRAM-based TCAM)中以減少對NVM的寫操作、提高TCAM的更新效率。實(shí)驗(yàn)表明,該研究在保證移動計(jì)算網(wǎng)絡(luò)靈活性的同時,有效地降低了網(wǎng)絡(luò)的控制能耗,同時顯著提高了傳統(tǒng)通信設(shè)施的轉(zhuǎn)發(fā)性能,為高效能移動計(jì)算的實(shí)現(xiàn)提供了可靠的保障。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TP333
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本文編號：1763707