[发明专利]混合主存储器实现节能存储的方法

说明书

所属技术领域

本发明涉及嵌入式系统存储节能领域，尤其涉及一种改进主存储器结构和读写策略实现节能存储的方法。

背景技术

存储器是计算机系统中一个非常重要的组成部分，是用来存储程序和数据的部件。主存储器是处理器能够直接寻址的存储空间，所有的程序和数据必须装载到主存储器中才能运行。因此，主存储器的性能直接影响到整个计算机系统的运行速度。随着处理器的速度不断提升，主存储器的读写速度远远跟不上处理器的速度，逐渐成为提高系统性能的瓶颈。因此，如何在不增加费用和能耗的前提下，最大限度地提高主存储器的容量和读写速度一直是研究的热点。

cache技术的提出就是为了解决主存储器读写速度慢的问题。由于处理器的速度比主存储器的访问速度快很多，处理器经常会等待着主存储器读写完成后才继续执行。这样使得处理器的性能没有充分得到利用。为了缓解处理器与主存储器的速度差距，cache技术就应运而生。cache是介于处理器与主存储器之间的一种特殊的存储器子系统，其访问速度要比主存储器快。cache中存储了处理器频繁访问的主存储器中的数据及这些数据的存储地址。当处理器需要访问主存储器中的某地址时，cache便检查是否存储有该地址。如果存有该地址，就将该地址对应的数据返回给处理器；如果没有存储该地址，就进行通常情况下的主存储器访问。

虚拟内存就是解决主存储器容量不足的一种技术。这种技术将主存储器和磁盘上的临时空间结合起来，使应用程序认为它拥有一个空间非常大的连续完整的内存。虚拟内存其实是在主存储器剩余空间不足时，将部分数据从主存储器移至硬盘中，以释放部分空间给程序继续运行。

虽然这些技术的提出在一定程度上缓解了处理器与主存储器在速度上的矛盾，但是这些技术的缓解能力始终是有限的。例如：为了适应处理器速度的提高，在一级cache的基础上提出了二级cache甚至三级cache。但是三级cache的性能影响就不太明显了，只是有利于服务器或游戏等大型程序，对大多数家庭计算机作用不大。虚拟内存的容量也不是无限的，一般为物理内存的1.5-2倍，同时也不能超过32位操作系统的内存寻址范围4GB。可见，这些技术仍然没有改变主存储器的读写速度是制约整个计算机系统性能提升的瓶颈的局面。由于主存储器访问速度的提升远赶不上处理器速度的提升，它们之间在速度上的矛盾迟早都会无法避免地凸现出来。

多核时代的到来，对主存储器提出了更加严峻的考验。现在主流的基于动态随机存储器DRAM的主存储器，已经达到了它的极限。如果为了适应处理器的高速度而提高主存储器的容量，就必须付出更高的费用和能耗，这样会使性价比大大降低。然而，随着核的数量越来越多，目前的主存储器将会面临越来越多的挑战。因此，许多专家学者都致力于研究更加良好的存储材料，以解决目前存储技术所处的困境。

Flash存储器是一种电可擦除可编程只读存储器，具有固态性、体积小、重量轻、抗震动、低能耗等特点。它是一种不易挥发的存储器，即在没有供电的情况下依然能够长久地保存数据，其存储特性相当于磁盘。它在价格、访问延迟、传输带宽、存储密度和能耗方面介于RAM和磁盘之间。由于Flash存储器在访问延迟上比主存储器相差甚远，因此很难将其应用到主存储器中。目前，Flash存储器主要应用于移动存储设备，例如：U盘、MP3、数码相机等。随着容量越来越大和价格越来越低，Flash存储器在不久的将来可能取代磁盘而应用到计算机系统中。

相变存储器PCM是基于Ovshinsky在20世纪60年代末提出的奥弗辛斯基电子效应的存储器，利用硫系化合物材料在电脉冲作用下快速相变的特性。由于工艺技术的限制，这项半导体存储技术一直都进展非常缓慢。直到上世纪末期，随着半导体工业界的制造技术达到纳米量级，这项技术才体现出其极大的优越性，从而得以飞速发展。相变存储器具有高可扩展性、高访问速度、高存储密度和低能耗等特性。它在访问速度上仅仅比动态随机存储器稍微慢一点。根据相变存储器的这些特性，如果能够很好地将其应用到主存储器中，必定会有效地解决当前主存储器所面临的低容量、高能耗等问题，从而极大地提升计算机系统的整体性能。由于其访问速度相对于动态随机存储器DRAM来说比较低，如果简单地把它作为主存储器，反而会降低计算机系统的性能。如果能够把它和动态随机存储器结合起来组成主存储器，达到取长补短、优势互补的效果，应该对提升主存储器性能有所帮助。

发明内容

为了在不增加功耗和时延的前提下，最大限度地增加主存储器的容量，适应处理器速度的快速提升，减少对磁盘的访问次数，降低存储所耗的能量，本发明提供一种混合主存储器实现节能存储的方法。