基于混合存儲(chǔ)架構(gòu)的高效頁面替換算法研究.pdf

1、現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，能耗已經(jīng)成為越來越重要的因素，而存儲(chǔ)能耗是其中不可忽略的重要部分。動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(DRAM)作為當(dāng)今主流的主存，是一種易失性存儲(chǔ)器，由刷新引起的靜態(tài)功耗較高，嚴(yán)重制約了存儲(chǔ)系統(tǒng)的發(fā)展。
　　相變存儲(chǔ)器(PCM)是近年來涌現(xiàn)出的新的存儲(chǔ)技術(shù)，它能夠在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)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(chǔ)密度大約為DRAM的4倍，而且，與DRAM一樣，PCM也是按位進(jìn)行訪問，這些特性也決

2、定了PCM可以作為主存的潛質(zhì)。然而，PCM有兩個(gè)最大的缺點(diǎn)導(dǎo)致PCM難以完全取代DRAM來單獨(dú)作為主存。首先，PCM的物理特性使得PCM寫操作的耗時(shí)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(diǎn)，現(xiàn)有的研究主要集中在如何設(shè)計(jì)更加合理高效的混合存儲(chǔ)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

3、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(shì)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(yùn)行一些局部訪問性很低的程序，那么頻繁的緩存替換將會(huì)帶來巨額的開銷，這也會(huì)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(jìn)行地址轉(zhuǎn)換，該方法并沒有增加額外的硬件，因此對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)影響較小。同時(shí)，相較于第一種思路，它可以提供更高的存儲(chǔ)空間，因此現(xiàn)有的

4、許多研究主要基于該種架構(gòu)?；旌现鞔嫦到y(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(duì)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(jì)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(jì)對(duì)于頁面替換算法的設(shè)計(jì)與研究成為混合主存系統(tǒng)的研究重點(diǎn)之一。
　　本文首先對(duì)于寫操作的預(yù)測(cè)機(jī)制進(jìn)行了分析，對(duì)時(shí)間局部性和寫頻率的效果進(jìn)行綜合比較，本文發(fā)現(xiàn)

5、在大多數(shù)情況下，寫頻率對(duì)于未來的預(yù)測(cè)要好于時(shí)間局部性，因此本文在利用時(shí)間局部性的同時(shí)利用讀寫頻率來預(yù)測(cè)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(duì)于PCM中的頁面采取主動(dòng)替換的方式將合適的頁面替換到DRAM中去，對(duì)于DRAM中的頁采用被動(dòng)的方式，當(dāng)DRAM沒有空閑頁時(shí)才調(diào)用改進(jìn)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(duì)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。