本文關(guān)鍵詞：基于混合存儲架構(gòu)的高效頁面替換算法研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：現(xiàn)代計算機系統(tǒng)的設(shè)計中,能耗已經(jīng)成為越來越重要的因素,而存儲能耗是其中不可忽略的重要部分。動態(tài)隨機存儲器(DRAM)作為當(dāng)今主流的主存,是一種易失性存儲器,由刷新引起的靜態(tài)功耗較高,嚴重制約了存儲系統(tǒng)的發(fā)展。相變存儲器(PCM)是近年來涌現(xiàn)出的新的存儲技術(shù),它能夠在現(xiàn)代計算機系統(tǒng)中承擔(dān)重要角色。PCM的靜態(tài)功耗大約只有DRAM的千分之一,存儲密度大約為DRAM的4倍,而且,與DRAM一樣,PCM也是按位進行訪問,這些特性也決定了PCM可以作為主存的潛質(zhì)。然而,PCM有兩個最大的缺點導(dǎo)致PCM難以完全取代DRAM來單獨作為主存。首先,PCM的物理特性使得PCM寫操作的耗時和耗能比讀操作要高很多。另一方面,PCM的寫次數(shù)非常有限,這使得它的壽命非常有限。因此,綜合考慮到DRAM較快的讀寫速度以及PCM高密度、低靜態(tài)功耗的特點,現(xiàn)有的研究主要集中在如何設(shè)計更加合理高效的混合存儲架構(gòu)(DRAM+PCM)上。現(xiàn)有的解決方案主要可以分為兩種,一種思路是使用容量較小的DRAM作為緩存,PCM作為主存,這樣既發(fā)揮了PCM靜態(tài)功耗低的優(yōu)勢又掩蓋了其寫操作高延遲的缺陷,但在這種架構(gòu)下,一旦運行一些局部訪問性很低的程序,那么頻繁的緩存替換將會帶來巨額的開銷,這也會大大影響系統(tǒng)的效率。第二種思路則是PCM與DRAM共同作為主存,構(gòu)成統(tǒng)一的內(nèi)存地址空間,由操作系統(tǒng)中的同一頁表來進行地址轉(zhuǎn)換,該方法并沒有增加額外的硬件,因此對現(xiàn)有系統(tǒng)影響較小。同時,相較于第一種思路,它可以提供更高的存儲空間,因此現(xiàn)有的許多研究主要基于該種架構(gòu)。混合主存系統(tǒng)作為上層Cache與物理外存的中間緩存,選擇合理的頁面替換算法對于系統(tǒng)的性能至關(guān)重要,但在混合主存架構(gòu)下,算法的設(shè)計還需要在保證性能的情況下,將讀頻繁的頁放到PCM中,將寫頻繁的頁放到DRAM中,因此傳統(tǒng)的頁面替換算法并不能直接適用,因此設(shè)計對于頁面替換算法的設(shè)計與研究成為混合主存系統(tǒng)的研究重點之一。本文首先對于寫操作的預(yù)測機制進行了分析,對時間局部性和寫頻率的效果進行綜合比較,本文發(fā)現(xiàn)在大多數(shù)情況下,寫頻率對于未來的預(yù)測要好于時間局部性,因此本文在利用時間局部性的同時利用讀寫頻率來預(yù)測PCM的寫操作,基于此本文提出了一種高效的頁面替換算法。對于PCM中的頁面采取主動替換的方式將合適的頁面替換到DRAM中去,對于DRAM中的頁采用被動的方式,當(dāng)DRAM沒有空閑頁時才調(diào)用改進的CLOCK算法,找到最近寫頻率較低的頁調(diào)入到PCM中。另一方面本文對于調(diào)入到PCM中的頁也提出了一種損耗均衡算法,保證PCM中的頁面能夠均衡寫入。為了評估頁面替換算法和損耗均衡算法的性能,本文使用了GEM5模擬器,它是一款高度可配置的體系結(jié)構(gòu)模擬器,為了有效進行實驗,對GEM5模擬器源代碼進行修改,使其符合混合存儲架構(gòu)的研究需要,并能夠?qū)崿F(xiàn)頁面的遷移。實驗結(jié)果表明,本文提出的算法可以有效地減少PCM的寫次數(shù),減少程序執(zhí)行時間,提高PCM的壽命。
【關(guān)鍵詞】：PCM 混合存儲 頁面替換 GEM5
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TP333
【目錄】：

• 摘要8-10
• ABSTRACT10-12
• 第一章 緒論12-16
• 1.1 課題研究背景和意義12-13
• 1.2 論文主要工作13-14
• 1.3 本文的組織結(jié)構(gòu)14-16
• 第二章 相變存儲器及混合主存架構(gòu)16-27
• 2.1 PCM存儲原理分析16-18
• 2.2 PCM與DRAM對比18-19
• 2.3 PCM+DRAM的混合存儲架構(gòu)19-21
• 2.4 混合存儲架構(gòu)的優(yōu)化方案21-26
• 2.4.1 數(shù)據(jù)分配的優(yōu)化21-24
• 2.4.2 損耗均衡的優(yōu)化24-26
• 2.5 本章小結(jié)26-27
• 第三章 高效頁面替換算法27-35
• 3.1 寫預(yù)測機制27-28
• 3.2 頁面替換算法過程28-33
• 3.3 本章小結(jié)33-35
• 第四章 損耗均衡算法35-39
• 4.1 損耗均衡機制分析35
• 4.2 基于混合存儲架構(gòu)的損耗均衡優(yōu)化分析35-36
• 4.3 損耗均衡算法過程36-38
• 4.4 本章小結(jié)38-39
• 第五章 實驗結(jié)果及分析39-50
• 5.1 GEM5模擬器研究39-41
• 5.1.1 GEM5的CPU模型39-40
• 5.1.2 GEM5的內(nèi)存模型40-41
• 5.2 實驗方法及實驗環(huán)境41-44
• 5.3 基準測試程序44
• 5.4 仿真結(jié)果與分析44-49
• 5.5 本章小結(jié)49-50
• 第六章 總結(jié)與展望50-52
• 6.1 工作總結(jié)50-51
• 6.2 研究展望51-52
• 參考文獻52-57
• 致謝57-58
• 攻讀學(xué)位期間參與科研項目及獲獎情況58-59
• 附件59

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本文編號：261108