混合存储架构的自适应页面管理算法研究

摘要

近年来，超大规模集成电路的迅速发展使处理器的性能得到显著提升。并行计算、分布式计算、云计算等技术的逐渐成熟，计算机信息处理能力已经足够强大。然而，随着大数据时代的来临，计算机存储系统存在的各类问题却日渐突出，如传统DRAM主存静态功耗大，集成度低等问题已经成为限制现代计算机系统发展的主要瓶颈之一。
　　非易失性存储器(Non-Volatile Memory，NVM)，例如PCM、FeRAM、ReRAM、STT-RAM等由于其非易失、低静态功耗、高密度、高速度等特点为现代计算机内存升级提供了新的契机。然而，相对传统DRAM内存，NVM同样存在着不可忽视的缺点，如读写次数有限，较高的写功耗、写延迟等。为充分发挥各种存储介质的优势，本文利用PCM和DRAM作为混合主存(hyrbid main memory)，NANDflash作为外存，构造混合存储系统。针对混合主存中页缓存(page cache)，研究自适应页面管理算法。主要内容包括:
　　首先，不考虑NAND flash外存特性，研究PCM+DRAM混合主存中页缓存管理算法。充分利用PCM静态功耗低、集成度高及DRAM写延迟小、写功耗低等优点构建大容量、高速度、低功耗、长寿命的混合主存系统。针对混合主存系统中页缓存管理提出一种自适应页面管理算法AIMR(Adaptive page Insertion,Migration，and Replacement)。在自适应的页面性质预测机制的基础上，分别建立AIMR页面载入、迁移、替换算法。
　　其次，在AIMR基础上考虑NAND flash外存特性，研究基于NAND flash的页缓存管理算法。相较于传统磁盘存储，NAND flash由于没有内部寻道时间，因此具有较高的随机读速度。此外，其存储介质读写速度决定了NAND flash具有较高的顺序读写速度。然而，NAND flash同样存在着随机写性能差，且寿命有限的问题，已有研究表明NAND flash随机写速度甚至比传统机械硬盘慢。本文基于页面访问时间和NAND flash空间局部性，建立NAND flash页缓存自适应的页面替换算法APTS(Adaptive page Replacement algorithm by combing Temporal and Spatiallocality)。
　　最后，本文将AIMR与APTS进行融合，建立混合存储系统自适应页面管理算法。融合方式为，将整个页缓存管理从逻辑上分为两层。其中，APTS运行在第一层，而AIMR作为APTS的PBR区域页管理算法运行在第二层。通过搭建GEM5+ NVMain+DRAMSim+McPAT+FlashSim的综合仿真环境，进一步评估AIMR+APTS融合后在混合存储系统下的性能。实验表明，本文提出的混合存储系统下自适应页面管理算法较传统CLOCK算法在内存平均访问延迟上性能平均提高61.5，主存功耗减少25％，并且提升21.8％的外存吞吐率。本文为构建大容量、高速度、低功耗、长寿命的存储系统提供了重要方法借鉴。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．3 本文的主要工作

1．4 本文的组织结构

第二章 混合存储架构关键点研究

2．1 混合存储架构组成

2．2 PCM+DRAM混合主存研究

2．3 NAND flash缓存研究

2．4 本章小结

第三章 混合主存页面管理算法

3．1 热页预测机制

3．2 混合主存自适应页面管理算法

3．3 仿真实验

3．4 本章小结

第四章 NAND flash缓存页面替换算法

4．1 缓存替换算法分析

4．2 NAND flash自适应缓存替换算法

4．3 仿真实验

4．4 本章小结

第五章 实验结果及分析

5．1 AJMR与APTS算法融合

5．2 测试环境介绍

5．3 测试结果与分析

5．4 本章小结

第六章 结论与展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的主要学术论文

攻读学位期间参与科研项目及获奖情况