近些年來,相變存儲(chǔ)器（PRAM）憑借其良好的特性極有可能替代動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器（DRAM）,發(fā)展為下一代主流內(nèi)存技術(shù).由于PRAM在延時(shí)和壽命方面的性能退化,因而采用了位于Linux同一物理地址空間的一大塊PRAM和一小塊DRAM作為主內(nèi)存.現(xiàn)有的Linux內(nèi)核并不是針對混合內(nèi)存架構(gòu)而開發(fā)的,無法降低PDRAM的內(nèi)存功耗,因而,采用了基于PDRAM混合內(nèi)存架構(gòu)的Linux內(nèi)存管理算法,針對不同頁幀進(jìn)行管理,并根據(jù)虛擬地址空間頁面的一般訪問性質(zhì)進(jìn)行選擇分配內(nèi)存頁幀,動(dòng)態(tài)遷移內(nèi)存頁幀,將頻繁讀為主的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在PRAM,頻繁寫為主的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在DRAM,從而在只增加0.4%的內(nèi)存延時(shí)情況下,降低50%左右的內(nèi)存功耗,并且沒有影響PRAM的壽命. 

【文章來源】：微電子學(xué)與計(jì)算機(jī). 2014,31(05)北大核心CSCD

【文章頁數(shù)】：7 頁

【部分圖文】：

圖１混合主內(nèi)存體系架構(gòu)內(nèi)存管理算法

代碼段開始和結(jié)束的虛擬內(nèi)存地址分別通過ｓｔａｒｔ＿ｃｏｄｅ和ｅｎｄ＿ｃｏｄｅ標(biāo)記．參數(shù)ａｄｄｒｅｓｓ描述了當(dāng)前進(jìn)程產(chǎn)生缺頁異常的虛擬空間地址．這樣，當(dāng)處理器產(chǎn)生按需調(diào)頁、按需分配、頁面交換或者寫時(shí)復(fù)制的缺頁異常時(shí)，通過比較產(chǎn)生缺頁異常的虛擬空間地址ａｄｄｒｅｓｓ和內(nèi)存描述符ｍｍ＿ｓｔｒｕｃｔ中各個(gè)內(nèi)存區(qū)的起止地址，就可以判斷出這個(gè)虛擬地址是屬于堆棧段還是其它段，并為其標(biāo)志相應(yīng)內(nèi)存修飾符，從而分配ＰＲＡＭ頁幀或ＤＲＡＭ頁幀，其流程如圖３所示．圖３頁幀選擇分配算法流程圖３．３頁幀的動(dòng)態(tài)遷移頁幀選擇分配算法是一種靜態(tài)的算法，無法動(dòng)態(tài)調(diào)度不符合虛擬地址空間頁面的一般訪問性質(zhì)的頁幀．例如，以頻繁讀為主的堆棧段數(shù)據(jù)仍然分配ＤＲＡＭ頁幀，以頻繁寫為主的其他段數(shù)據(jù)仍然分配ＰＲＡＭ頁幀．如果ＰＲＡＭ頁幀頻繁進(jìn)行寫操作，那么主內(nèi)存的動(dòng)態(tài)功耗和延時(shí)將會(huì)有顯著的增加，而且過多的寫操作勢必會(huì)減少主內(nèi)存的使用壽命．因此，本文提出的基于混合內(nèi)存ＰＤＲＡＭ的Ｌｉｎｕｘ內(nèi)存管理動(dòng)態(tài)遷移算法，流程圖如圖４所示，該算法基于著名的局部性原理［４］：最近不讀（寫）的頁幀在未來也不會(huì)需要頻繁進(jìn)行讀（寫）操作；最近讀（寫）次數(shù)多的頁幀在未來也會(huì)需要頻繁進(jìn)行讀（寫）操作．冷ＤＲＡＭ頁幀遷移：通過傳統(tǒng)的最近最少使用（ＬＲＵ）算法，將最近最少讀寫的ＤＲＡＭ頁幀遷移到ＰＲＡＭ存儲(chǔ)空間，由于未來該頁幀也不會(huì)頻繁進(jìn)行讀寫操作，因此，遷移后該頁幀的訪問行為不會(huì)大量增加ＰＲＡＭ的功耗．每個(gè)內(nèi)存域包含了兩個(gè)雙向ＬＲＵ鏈表：活動(dòng)（ａｃｔ

作系統(tǒng)修改版３２位Ｌｉｎｕｘ３．９．１寫操作閾值１０００讀寫比例閾值５：２表３ＤＲＡＭ和ＰＲＡＭ特性［６］ＤＲＡＭＰＲＡＭ讀功率２００ｍＷ８０ｍＷ寫功率２００ｍＷ５００ｍＷ讀延時(shí)５０ｎｓ５０ｎｓ寫延時(shí)５０ｎｓ１５０ｎｓＤＲＡＭ同質(zhì)內(nèi)存架構(gòu)、不包含選擇分配和動(dòng)態(tài)遷移內(nèi)存管理算法的ＰＤＲＡＭ混合內(nèi)存架構(gòu)、只包含選擇分配內(nèi)存管理算法的ＰＤＲＡＭ混合內(nèi)存架構(gòu)、包含選擇分配和動(dòng)態(tài)遷移內(nèi)存管理算法的ＰＤＲＡＭ混合內(nèi)存架構(gòu)的歸一化內(nèi)存功耗如圖５所示．圖５歸一化功耗當(dāng)ＤＲＡＭ同質(zhì)內(nèi)存架構(gòu)位于低地址空間的大部分物理內(nèi)存被ＰＲＡＭ所取代時(shí)，盡管ＰＲＡＭ的寫功耗高于ＤＲＡＭ的寫功耗，但是由于ＰＲＡＭ的讀功耗低于ＤＲＡＭ的讀功耗，而且在此區(qū)域依舊呈現(xiàn)讀操作次數(shù)多、寫操作次數(shù)少的內(nèi)存訪問模式，因此不包含選擇分配和動(dòng)態(tài)遷移內(nèi)存管理算法的ＰＤＲＡＭ混合內(nèi)存架構(gòu)可以平均降低１５％的內(nèi)存功耗．其中，Ｂｉｔｃｏｕｎｔ測試程序發(fā)生在ＰＲＡＭ存儲(chǔ)空間的讀操作次數(shù)（３０５萬次）很少，因而僅僅內(nèi)存功耗降低了０．２％．相反的，ＳｔｒｉｎｇＳｅａｒｃｈ發(fā)生在ＰＲＡＭ存儲(chǔ)空間的讀操作次數(shù)（４８６４萬次）很多、寫操作次數(shù)（１０萬次）很少，因而內(nèi)存功耗降低了４６．０％．只包含選擇分配內(nèi)存管理算法的ＰＤＲＡＭ混合內(nèi)存架構(gòu)，在不包含選擇分配和動(dòng)態(tài)遷移內(nèi)存管理算法的ＰＤＲＡＭ混合內(nèi)存架構(gòu)的基礎(chǔ)上，大量增加了發(fā)生在ＰＲＡＭ存儲(chǔ)空間的讀操作次數(shù)（減少了發(fā)生在ＤＲＡＭ存儲(chǔ)空間的讀操作次數(shù)），因此比不包含選擇分配和動(dòng)態(tài)遷移內(nèi)存


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