混合存儲(chǔ)架構(gòu)的自適應(yīng)頁面管理算法研究.pdf

1、近年來，超大規(guī)模集成電路的迅速發(fā)展使處理器的性能得到顯著提升。并行計(jì)算、分布式計(jì)算、云計(jì)算等技術(shù)的逐漸成熟，計(jì)算機(jī)信息處理能力已經(jīng)足夠強(qiáng)大。然而，隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的來臨，計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)系統(tǒng)存在的各類問題卻日漸突出，如傳統(tǒng)DRAM主存靜態(tài)功耗大，集成度低等問題已經(jīng)成為限制現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)發(fā)展的主要瓶頸之一。
　　非易失性存儲(chǔ)器(Non-Volatile Memory，NVM)，例如PCM、FeRAM、ReRAM、STT-RAM等由于其非易失

2、、低靜態(tài)功耗、高密度、高速度等特點(diǎn)為現(xiàn)代計(jì)算機(jī)內(nèi)存升級(jí)提供了新的契機(jī)。然而，相對(duì)傳統(tǒng)DRAM內(nèi)存，NVM同樣存在著不可忽視的缺點(diǎn)，如讀寫次數(shù)有限，較高的寫功耗、寫延遲等。為充分發(fā)揮各種存儲(chǔ)介質(zhì)的優(yōu)勢(shì)，本文利用PCM和DRAM作為混合主存(hyrbid main memory)，NANDflash作為外存，構(gòu)造混合存儲(chǔ)系統(tǒng)。針對(duì)混合主存中頁緩存(page cache)，研究自適應(yīng)頁面管理算法。主要內(nèi)容包括:
　　首先，不考慮NAND

3、 flash外存特性，研究PCM+DRAM混合主存中頁緩存管理算法。充分利用PCM靜態(tài)功耗低、集成度高及DRAM寫延遲小、寫功耗低等優(yōu)點(diǎn)構(gòu)建大容量、高速度、低功耗、長(zhǎng)壽命的混合主存系統(tǒng)。針對(duì)混合主存系統(tǒng)中頁緩存管理提出一種自適應(yīng)頁面管理算法AIMR(Adaptive page Insertion,Migration，and Replacement)。在自適應(yīng)的頁面性質(zhì)預(yù)測(cè)機(jī)制的基礎(chǔ)上，分別建立AIMR頁面載入、遷移、替換算法。
　

4、　其次，在AIMR基礎(chǔ)上考慮NAND flash外存特性，研究基于NAND flash的頁緩存管理算法。相較于傳統(tǒng)磁盤存儲(chǔ)，NAND flash由于沒有內(nèi)部尋道時(shí)間，因此具有較高的隨機(jī)讀速度。此外，其存儲(chǔ)介質(zhì)讀寫速度決定了NAND flash具有較高的順序讀寫速度。然而，NAND flash同樣存在著隨機(jī)寫性能差，且壽命有限的問題，已有研究表明NAND flash隨機(jī)寫速度甚至比傳統(tǒng)機(jī)械硬盤慢。本文基于頁面訪問時(shí)間和NAND flash

5、空間局部性，建立NAND flash頁緩存自適應(yīng)的頁面替換算法APTS(Adaptive page Replacement algorithm by combing Temporal and Spatiallocality)。
　　最后，本文將AIMR與APTS進(jìn)行融合，建立混合存儲(chǔ)系統(tǒng)自適應(yīng)頁面管理算法。融合方式為，將整個(gè)頁緩存管理從邏輯上分為兩層。其中，APTS運(yùn)行在第一層，而AIMR作為APTS的PBR區(qū)域頁管理算法運(yùn)行在第