基于非易失存儲(chǔ)器的高效能移動(dòng)計(jì)算關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展、移動(dòng)通信技術(shù)的成熟以及分布式計(jì)算的普及，移動(dòng)計(jì)算(MobileComputing)逐漸融入到人們的生活中。通過(guò)移動(dòng)計(jì)算技術(shù)，人們可以隨時(shí)隨地實(shí)現(xiàn)信息的交互與資源的共享。隨著越來(lái)越多的智能設(shè)備參與到移動(dòng)計(jì)算中，在可以預(yù)見的未來(lái)，移動(dòng)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(dòng)計(jì)算技術(shù)的飛速發(fā)展，不斷涌現(xiàn)的應(yīng)用場(chǎng)景和應(yīng)用需求對(duì)移動(dòng)計(jì)算技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。其中，性能和能耗問(wèn)題尤顯

2、突出，是困擾移動(dòng)計(jì)算技術(shù)發(fā)展的兩大難題。為應(yīng)對(duì)日益復(fù)雜的計(jì)算任務(wù)，移動(dòng)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(duì)移動(dòng)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(wèn)題。此外，移動(dòng)計(jì)算活動(dòng)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(lái)越大的情況下，需要盡可能地保證消息的低延時(shí)傳遞。
　　新型非易失存儲(chǔ)器(Non-VolatileMemory，NVM)的出現(xiàn)，為以上問(wèn)題的解

3、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(chǔ)器(StaticRandomAccessMemory，SRAM)和動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(DynamicRandomAccessMemory，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(dòng)終端日益增長(zhǎng)的存儲(chǔ)系統(tǒng)能耗獲得改良;非易失特性消除了當(dāng)前移動(dòng)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(chǔ)系統(tǒng)的空間可擴(kuò)展性，對(duì)有較大空間需求的場(chǎng)景具有較好的表現(xiàn)。然

4、而，相比于傳統(tǒng)存儲(chǔ)器，非易失存儲(chǔ)器還有許多難以回避的問(wèn)題，諸如讀寫延遲較長(zhǎng)、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(chǔ)器解決當(dāng)前以及未來(lái)移動(dòng)計(jì)算中存在的問(wèn)題，同時(shí)克服其固有的缺陷，是一個(gè)值得研究的重要問(wèn)題。本文圍繞新型非易失存儲(chǔ)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(dòng)計(jì)算發(fā)展的諸多障礙。
　　本文首先針對(duì)當(dāng)前移動(dòng)終端越來(lái)越高的能耗問(wèn)題展開研究，利用NVM低功耗的特點(diǎn)對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行了探索。將任務(wù)

5、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(shí)間的增加。由于許多移動(dòng)計(jì)算任務(wù)存在實(shí)時(shí)性約束，執(zhí)行時(shí)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(shì)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

6、。針對(duì)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(Offiine-Aperiodic)算法，而針對(duì)周期任務(wù)集，本文分別考慮了靜態(tài)優(yōu)先級(jí)調(diào)度策略和動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)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)(RateMonotonic，RM)調(diào)度算法和最早截止期優(yōu)先(EarliestDeadlineFirst，EDF)調(diào)度算法為例，提出了相應(yīng)的Offiine-RM和Offiine-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)

7、預(yù)留了其最差情況執(zhí)行時(shí)間(Worst-caseExecutionTime，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(gè)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(shí)間往往遠(yuǎn)小于任務(wù)的最差情況執(zhí)行時(shí)間，因此，已完成的任務(wù)節(jié)省出來(lái)的空余時(shí)間(Slacktime)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NV

8、M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(shí)任務(wù)在線調(diào)度算法。對(duì)于非周期任務(wù)集，當(dāng)任務(wù)執(zhí)行完成時(shí)，我們對(duì)其產(chǎn)生的空余時(shí)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(duì)于周期任務(wù)集，由于任務(wù)周期性到達(dá)，空余時(shí)間的分配可能會(huì)對(duì)后續(xù)的任務(wù)產(chǎn)生影響，同時(shí)，不同優(yōu)先級(jí)任務(wù)的搶占行為進(jìn)一步增加了任務(wù)集無(wú)法調(diào)度的風(fēng)險(xiǎn)。為此，針對(duì)RM調(diào)度算法，本文提出的在線調(diào)度算法針對(duì)最近的deadline進(jìn)行空余時(shí)間的分配;而對(duì)于

9、更加靈活的EDF算法，本文則從全局的角度對(duì)可用的空余時(shí)間進(jìn)行管理，通過(guò)引入隊(duì)列Ready-Queue和Preempt-Queue避免了不安全的時(shí)間分配。為避免任務(wù)在不同存儲(chǔ)介質(zhì)間的遷移造成過(guò)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(gè)任務(wù)實(shí)例在其執(zhí)行過(guò)程中最多遷移一次。實(shí)驗(yàn)表明，本文提出的實(shí)時(shí)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(duì)日益復(fù)雜的計(jì)算任務(wù)，移動(dòng)計(jì)算設(shè)備需要不斷提高性能以保證任務(wù)

10、的正常執(zhí)行。然而，當(dāng)前移動(dòng)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(lái)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(shí)，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(shí)，未完整提交的數(shù)據(jù)可以通過(guò)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(wèn)題的根源在于當(dāng)前基于DRAM的BufferCa

11、che是易失性的，系統(tǒng)崩潰時(shí)，正在操作中的數(shù)據(jù)會(huì)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(huì)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BufferCache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(gè)“日志感知的頁(yè)面管理策略”(Journaling-AwarePageManagement，JAPM)，該策略針對(duì)日志開銷進(jìn)

12、行了優(yōu)化，同時(shí)克服了NVM在寫壽命和寫速度方面的缺點(diǎn)。此外，針對(duì)該架構(gòu)中同一個(gè)事務(wù)的數(shù)據(jù)可能會(huì)分布在不同存儲(chǔ)介質(zhì)上的情況，本文進(jìn)一步提出了個(gè)“部分就地提交”(PartialIn-PlaceCommit，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(yǔ)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(dòng)計(jì)算的實(shí)現(xiàn)一方面得益于移動(dòng)終端能力的增強(qiáng)，而另一

13、方面則依賴于靈活、高效的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。在未來(lái)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模越來(lái)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(shí)保證消息的高性能傳遞。隨著越來(lái)越多的設(shè)備參與到移動(dòng)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(gè)軟件定義的移動(dòng)計(jì)算架構(gòu)，并對(duì)該架構(gòu)中較高的控制開銷問(wèn)題進(jìn)行了優(yōu)化，同時(shí)針對(duì)移動(dòng)計(jì)算中較高的移動(dòng)性問(wèn)題提出了相應(yīng)的應(yīng)對(duì)策略。新架構(gòu)的引入實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)的靈活控制，但

14、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（TernaryContentAddressableMemory，三態(tài)內(nèi)容尋址存儲(chǔ)器）進(jìn)行規(guī)則的快速匹配，而基于SRAM的TCAM無(wú)論是在存儲(chǔ)容量還是功耗方面均遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了當(dāng)前及未來(lái)的需求。考慮到NVM高存儲(chǔ)密度、低靜態(tài)功耗的特點(diǎn)，本文提出了一個(gè)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(gè)面向混合TCAM架構(gòu)的規(guī)則調(diào)度算法(RuleSched