基于全局访存特征的混合内存空间布局研究

摘要

动态随机存储器（Dynamic Random Access Memory，DRAM）的低存储密度已经无法满足大数据时代下应用程序对内存的需求。新型非易失性存储器（Non-volatile Memory,NVM）具有低能耗、高存储密度和支持字节寻址等优点有望能缓解内存发展速度的问题。在混合内存体系结构中，利用DRAM和NVM优势，将读频繁些写冷门的数据写入到NVM，同时将写频繁的数据加载到DRAM内存，以提高计算机整体性能。但是通过对现有混合内存页面管理算法的分析，已有混合内存页面管理算法未能根据访存特征对混合内存合理初始化，导致了额外的数据页面迁移；已有算法由于未能识别DRAM内存中页面未来的访问特征，因此导致DRAM的高性空间未得到充分利用，从而增加了程序的访问时延。针对上述两个问题，本文的主要贡献如下：　　针对内存空间初始化不合理问题，本文提出了一套基于内存访问特征的内存页面初始化算法，通过收集并分析应用程序的访存记录，并在页面初始化时根据分析结果合理初始化混合内存，从而减少混合内存页面迁移次数。　　针对DRAM高性能空间未得到充分利用且内存页面存在无效驻留问题，本文提出一套结合主动淘汰和被动迁移的内存页面管理算法，其中包括热度识别机制、主动淘汰机制、被动迁移三部分内容；热度识别机制主要识别DRAM内存中的“暂热页面”和“死页面”，并将DRAM中的数据页面按照访问热度排序。主动淘汰机制则将识别为“暂热页面”和“死页面”的数据页写回外存；而被动迁移机制则在DRAM中无“暂热页面”和“死页面”时，将DRAM热度相对较低的页面迁移至NVM，以释放高性能内存空间。主动淘汰和被动迁移机制相互结合充分发挥DRAM和NVM的优势，以最大限度提高计算机整体性能。　　本文选取SPEC CPU2006中10个经典负载对上述方法进行实验和评估。结果表明，相比于已有的CLOCK-DWF在保证内存访问时延的同时可平均减少75%的内存页面迁移；相比于UIMigrate在保证内存页面迁移的同时可平均降低20%的内存访问延迟。

目录

1 绪 论

1.1 研究背景

1.2 非易失性存储介质存储特性

1.3 国内外研究现状

1.3.1 NVM和 DRAM同时作为主存相关研究

1.3.2 NVM或 DRAM作为缓存相关研究

1.3.3 其他相关研究

1.4 研究内容

1.5 文章结构

2 经典混合内存分析

2.1 经典混合内存初始化及页面迁移

2.1.1 经典混合内存数据初始化研究

2.1.2 经典混合内存页面迁移算法研究

2.2 经典混合内存页面初始化问题

2.3 经典混合内存 DRAM内存页面驻留问题

2.4 本章小结

3 基于访存特征的混合内存页面初始化研究

3.1 基于内存页面的访存特征研究

3.1.1 基于内存页面的内存记录收集

3.1.2 基于内存访问记录的访存行为分析

3.2 基于访存行为的数据初始化研究

3.2.1 混合内存的数据页错误

3.2.2 基于访存特征的内存页面初始化

3.3 本章小结

4 混合内存数据页面迁移与淘汰策略研究

4.1 混合内存数据页冷热识别机制

4.2 混合内存数据页主动淘汰机制

4.3 混合内存数据页被动迁移机制

4.4 本章小结

5 实验结果与分析

5.1 实验环境

5.2 实验方法

5.3 实验结果分析

5.3.1 介质总读写次数

5.3.2 数据页迁移次数

5.3.3 应用程序能耗

5.3.4 应用程序访问时延

5.4 本章小结

6 总结与展望

6.1 内容总结

6.2 未来展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间参加的科研项目

B. 学位论文数据集

致谢