[发明专利]一种基于混合主存架构的高效动态页面调度方法

说明书

本发明公开一种基于混合主存架构的高效动态页面调度方法，应用于包括第一存储介质和第二存储介质的水平存储架构的内存控制器，在各存储介质中分别配置一张访问表，在内存控制器中为各存储介质分别配置一个堆栈；根据页面在堆栈中记录的状态标记及在访问表中记录的读写访问次数对存储介质中近期被访问的页面实行动态管理，以将写热度高的页面放置于第一存储介质，将读频繁的页面保存在到第二存储介质，第一存储介质是DRAM，第二存储介质是NVM。该方法能够更精准地把握历史访问信息以适用于局部性较弱的应用场景，能极大地减少在混合内存介质之间频繁无效的页迁移数量，提高主存利用率以及访问命中率。

技术领域

本发明属于计算机数据存储领域，具体涉及一种基于混合主存架构的高效动态页面调度方法。

背景技术

基于DRAM/PCM的混合内存大致可分为两种不同的结构：将DRAM(动态随机存储器)作为PCM(相变存储器)高速缓存的“垂直模型”和DRAM和PCM共同作为主存的“水平模型”。“水平模型”由DRAM和PCM共同构成主存的模型使用统一的地址空间，并且进行同级管理，能够充分利用两种存储介质的优势有效分配数据存放空间，根据内存控制器中的读写信息将写频繁的数据存放在DRAM上，读密集型的数据存放在PCM上，突出DRAM性能优势的同时发挥了PCM低功耗的特点。相比于“垂直模型”以DRAM作为缓存的混合内存结构，同级存储架构少一层映射转换机制，避免了频繁的数据交互，与此同时，主存的存储容量和存储密度也有显著提升。

构建基于DRAM和PCM的水平结构主存系统，在发挥各自优点的同时，也需要克服DRAM高能耗和PCM写性能不足、写寿命有限的缺陷。高效的混合内存页面调度机制能够针对这些缺陷，实现数据按照读写访问频率分别存放在不同的存储介质上，减少PCM磨损的同时降低系统能耗，保证了两种混合介质扬长避短，各尽其职，故选择合适的页面调度策略显得格外重要。

现有的混合内存页面调度技术主要对传统的LRU、CLOCK算法进行改进，利用局部性原理和读写请求按存储介质存放的基本原则，通过不同的数据结构实现了不同阶段页面的迁移操作。大致可以划分为被动式迁移、主动式迁移和主动和被动相结合的迁移方式。被动式页面迁移策略在主存未命中时将请求数据直接写到DRAM中，而当DRAM写满时便会触发迁移操作，再将访问频率低的冷页面或者读写倾向性不明确的页面迁移到PCM。这种被动迁移方式能够充分利用DRAM高读写带宽的特点，将尽可能多的写操作集中在DRAM，达到增加PCM寿命的目标。但是这种被动式迁移策略，缺乏从PCM到DRAM的写频繁页面迁移，读写预测机制的不足导致PCM写次数减少程度有限。主动式页面迁移策略通过访问频率和访问间隔定义页面的冷热，选择合适的数据结构开发时间局部性和空间局部性，并判断页面的读写倾向性进行相应的页迁移，保证DRAM存放写倾向页面，而PCM存放读倾向页面。这些方法能够有效预测页面的读写热度，在页面表现出读写倾向时执行迁移操作，但是需要较大的空间开销去记录读写访问频率和局部访问热度，并且各算法预测结果也存在较大差异。基于CLOCK提出一种主动和被动相结合的页面调度算法，对DRAM中的页面采取被动方式管理页面迁移到PCM，而对PCM中的页面采用主动方式区分写频繁页面，再迁移到DRAM。主动和被动相结合的页面调度算法能够充分发挥DRAM和PCM两种存储介质的优点，实现的开销也相对较小，但是这种管理方式会造成读写热度判断上的不统一，并且页面迁移比例也会出现差异。这些算法能够有效发挥DRAM写性能上的优势，控制PCM的写操作数量，但是普遍存在以下问题：第一、无法有效避免在混合内存介质之间频繁无效的页迁移，造成不必要的系统开销；第二、对于弱局部性应用场景下数据读写倾向性的预测效果不佳，容易产生不准确的迁移操作；第三、没有能够把尽可能多的读频繁数据迁移到PCM，不能进一步开发PCM读功耗和静态功耗低的优势。其中，所谓的弱时间局部性，从时间角度上讲，访问在时间维度上比较分散，不呈现出某一时间段对某一块数据集中访问的现象，称为弱时间局部性；从空间角度上讲，不呈现对某一地址范围集中访问的特性，称为弱空间局部性。本专利所指的弱局部性更侧重于弱时间局部性。