本文選題：高效能移動計算 + 非易失存儲器�。� 參考：《山東大學》2017年博士論文

【摘要】：隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展、移動通信技術的成熟以及分布式計算的普及,移動計算(Mobile Computing)逐漸融入到人們的生活中。通過移動計算技術,人們可以隨時隨地實現(xiàn)信息的交互與資源的共享。隨著越來越多的智能設備參與到移動計算中,在可以預見的未來,移動計算將徹底改變人們的生活方式和生活習慣,具有極大的發(fā)展前景和發(fā)展空間。伴隨移動計算技術的飛速發(fā)展,不斷涌現(xiàn)的應用場景和應用需求對移動計算技術提出了新的挑戰(zhàn)。其中,性能和能耗問題尤顯突出,是困擾移動計算技術發(fā)展的兩大難題。為應對日益復雜的計算任務,移動計算終端需要不斷提高其性能以保證任務的正常執(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,移動計算活動的正常進行不僅需要靈活的網(wǎng)絡管理和控制,而且在計算規(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。不同于傳統(tǒng)靜態(tài)隨機存儲器(Static Random Access Memory,SRAM)和動態(tài)隨機存儲器(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前移動終端為保證數(shù)據(jù)一致性而導致的性能損失;高密度特性提高了存儲系統(tǒng)的空間可擴展性,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前以及未來移動計算中存在的問題,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)的設計與優(yōu)化策略展開了研究,旨在解決阻礙高效能移動計算發(fā)展的諸多障礙。本文首先針對當前移動終端越來越高的能耗問題展開研究,利用NVM低功耗的特點對該問題進行了探索。將任務安排在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,將任務安排在NVM中執(zhí)行將導致任務執(zhí)行時間的增加。由于許多移動計算任務存在實時性約束,執(zhí)行時間的增加將導致任務存在不能在其截止期(deadline)前完成的風險。為此,本文采用了一種混合NVM和DRAM的主存架構,該架構綜合利用NVM低功耗與DRAM高性能的優(yōu)勢保證任務集在可調度的前提下,盡可能地將更多的任務安排在NVM中執(zhí)行,以取得最大的能耗節(jié)省。針對非周期任務集,本文提出了一種非周期任務離線調度(Offline-Aperiodic)算法,而針對周期任務集,本文分別考慮了靜態(tài)優(yōu)先級調度策略和動態(tài)優(yōu)先級調度策略,并以兩種調度策略的代表性調度算法速率單調(Rate Monotonic,RM)調度算法和最早截止期優(yōu)先(Earliest Deadline First,EDF)調度算法為例,提出了相應的 Offline-RM 和 Offline-EDF 離線調度算法。本文提出的離線調度算法為所有的任務預留了其最差情況執(zhí)行時間(Worst-case Execution Time,WCET),以保證任務集的可調度性。實驗表明,相比于傳統(tǒng)DRAM主存架構的調度算法,本文提出的三個面向混合主存的離線調度算法分別取得了 28.8%、25.69%和38%的平均能耗節(jié)省。由于任務的實際執(zhí)行時間往往遠小于任務的最差情況執(zhí)行時間,因此,已完成的任務節(jié)省出來的空余時間(Slack time)可以進一步分配給未完成的任務,以使更多的任務可以安排在NVM中執(zhí)行。為此,在離線調度算法的研究基礎上,本文提出了能量感知的實時任務在線調度算法。對于非周期任務集,當任務執(zhí)行完成時,我們對其產生的空余時間進行回收,并檢查是否可以將更多的任務安排在NVM中執(zhí)行。對于周期任務集,由于任務周期性到達,空余時間的分配可能會對后續(xù)的任務產生影響,同時,不同優(yōu)先級任務的搶占行為進一步增加了任務集無法調度的風險。為此,針對RM調度算法,本文提出的在線調度算法針對最近的deadline進行空余時間的分配;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行管理,通過引入隊列Ready-Oueue和Preempt-Queue避免了不安全的時間分配。為避免任務在不同存儲介質間的遷移造成過多的開銷,本文提出周期任務在線調度算法確保了每一個任務實例在其執(zhí)行過程中最多遷移一次。實驗表明,本文提出的實時任務在線調度算法相比于離線調度算法取得了進一步的能耗節(jié)省。此外,為應對日益復雜的計算任務,移動計算設備需要不斷提高性能以保證任務的正常執(zhí)行。然而,當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"機制避免系統(tǒng)因意外崩潰而導致的狀態(tài)不一致。日志機制在執(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)域進行恢復。顯然,日志機制造成了大量的額外寫操作。產生該問題的根源在于當前基于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,從而避免了日志機制導致的額外I/O操作。因此,本文利用NVM和DRAM的混合Buffer Cache架構減少日志機制導致的性能損失。為了更好地利用該架構,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行了優(yōu)化,同時克服了NVM在寫壽命和寫速度方面的缺點。此外,針對該架構中同一個事務的數(shù)據(jù)可能會分布在不同存儲介質上的情況,本文進一步提出了一個"部分就地提交"(Partial In-Place Commit,PIPC)的日志機制協(xié)調不同的日志提交方式以保證事務執(zhí)行的原子性語義。實驗表明,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。高效能移動計算的實現(xiàn)一方面得益于移動終端能力的增強,而另一方面則依賴于靈活、高效的移動互聯(lián)網(wǎng)絡。在未來網(wǎng)絡規(guī)模越來越大的情況下,不僅需要保持網(wǎng)絡的靈活性、可控性,而且需要盡可能地減少網(wǎng)絡的控制能耗,同時保證消息的高性能傳遞。隨著越來越多的設備參與到移動計算中,當前的網(wǎng)絡架構和通信設施在可控性和轉發(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算架構,并對該架構中較高的控制開銷問題進行了優(yōu)化,同時針對移動計算中較高的移動性問題提出了相應的應對策略。新架構的引入實現(xiàn)了網(wǎng)絡的靈活控制,但卻進一步增加了傳統(tǒng)轉發(fā)設備的壓力。由于當前交換設備一般采用TCAM(Ternary Content Addressable Memory,三態(tài)內容尋址存儲器)進行規(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遠滿足不了當前及未來的需求�？紤]到NVM高存儲密度、低靜態(tài)功耗的特點,本文提出了一個基于SRAM和NVM的混合TCAM架構。為更好地利用該架構,本文提出了一個面向混合TCAM架構的規(guī)則調度算法(Rule Scheduler for Hybrid TCAM,RSHT)。該算法將最常用的轉發(fā)規(guī)則放在nvTCAM(NVM-based TCAM)中以提高混合TCAM的轉發(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。實驗表明,該研究在保證移動計算網(wǎng)絡靈活性的同時,有效地降低了網(wǎng)絡的控制能耗,同時顯著提高了傳統(tǒng)通信設施的轉發(fā)性能,為高效能移動計算的實現(xiàn)提供了可靠的保障。
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【學位授予單位】：山東大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TP333
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本文編號：1763707