基于PDRAM混合内存架构的Linux内存管理算法

发布时间：2021-11-14 12:47

　　近些年来,相变存储器（PRAM）凭借其良好的特性极有可能替代动态存储器（DRAM）,发展为下一代主流内存技术.由于PRAM在延时和寿命方面的性能退化,因而采用了位于Linux同一物理地址空间的一大块PRAM和一小块DRAM作为主内存.现有的Linux内核并不是针对混合内存架构而开发的,无法降低PDRAM的内存功耗,因而,采用了基于PDRAM混合内存架构的Linux内存管理算法,针对不同页帧进行管理,并根据虚拟地址空间页面的一般访问性质进行选择分配内存页帧,动态迁移内存页帧,将频繁读为主的数据存储在PRAM,频繁写为主的数据存储在DRAM,从而在只增加0.4%的内存延时情况下,降低50%左右的内存功耗,并且没有影响PRAM的寿命. 

【文章来源】：微电子学与计算机. 2014,31(05)北大核心CSCD

【文章页数】：7 页

【部分图文】：

图１混合主内存体系架构内存管理算法

代码段开始和结束的虚拟内存地址分别通过ｓｔａｒｔ＿ｃｏｄｅ和ｅｎｄ＿ｃｏｄｅ标记．参数ａｄｄｒｅｓｓ描述了当前进程产生缺页异常的虚拟空间地址．这样，当处理器产生按需调页、按需分配、页面交换或者写时复制的缺页异常时，通过比较产生缺页异常的虚拟空间地址ａｄｄｒｅｓｓ和内存描述符ｍｍ＿ｓｔｒｕｃｔ中各个内存区的起止地址，就可以判断出这个虚拟地址是属于堆栈段还是其它段，并为其标志相应内存修饰符，从而分配ＰＲＡＭ页帧或ＤＲＡＭ页帧，其流程如图３所示．图３页帧选择分配算法流程图３．３页帧的动态迁移页帧选择分配算法是一种静态的算法，无法动态调度不符合虚拟地址空间页面的一般访问性质的页帧．例如，以频繁读为主的堆栈段数据仍然分配ＤＲＡＭ页帧，以频繁写为主的其他段数据仍然分配ＰＲＡＭ页帧．如果ＰＲＡＭ页帧频繁进行写操作，那么主内存的动态功耗和延时将会有显著的增加，而且过多的写操作势必会减少主内存的使用寿命．因此，本文提出的基于混合内存ＰＤＲＡＭ的Ｌｉｎｕｘ内存管理动态迁移算法，流程图如图４所示，该算法基于著名的局部性原理［４］：最近不读（写）的页帧在未来也不会需要频繁进行读（写）操作；最近读（写）次数多的页帧在未来也会需要频繁进行读（写）操作．冷ＤＲＡＭ页帧迁移：通过传统的最近最少使用（ＬＲＵ）算法，将最近最少读写的ＤＲＡＭ页帧迁移到ＰＲＡＭ存储空间，由于未来该页帧也不会频繁进行读写操作，因此，迁移后该页帧的访问行为不会大量增加ＰＲＡＭ的功耗．每个内存域包含了两个双向ＬＲＵ链表：活动（ａｃｔ

作系统修改版３２位Ｌｉｎｕｘ３．９．１写操作阈值１０００读写比例阈值５：２表３ＤＲＡＭ和ＰＲＡＭ特性［６］ＤＲＡＭＰＲＡＭ读功率２００ｍＷ８０ｍＷ写功率２００ｍＷ５００ｍＷ读延时５０ｎｓ５０ｎｓ写延时５０ｎｓ１５０ｎｓＤＲＡＭ同质内存架构、不包含选择分配和动态迁移内存管理算法的ＰＤＲＡＭ混合内存架构、只包含选择分配内存管理算法的ＰＤＲＡＭ混合内存架构、包含选择分配和动态迁移内存管理算法的ＰＤＲＡＭ混合内存架构的归一化内存功耗如图５所示．图５归一化功耗当ＤＲＡＭ同质内存架构位于低地址空间的大部分物理内存被ＰＲＡＭ所取代时，尽管ＰＲＡＭ的写功耗高于ＤＲＡＭ的写功耗，但是由于ＰＲＡＭ的读功耗低于ＤＲＡＭ的读功耗，而且在此区域依旧呈现读操作次数多、写操作次数少的内存访问模式，因此不包含选择分配和动态迁移内存管理算法的ＰＤＲＡＭ混合内存架构可以平均降低１５％的内存功耗．其中，Ｂｉｔｃｏｕｎｔ测试程序发生在ＰＲＡＭ存储空间的读操作次数（３０５万次）很少，因而仅仅内存功耗降低了０．２％．相反的，ＳｔｒｉｎｇＳｅａｒｃｈ发生在ＰＲＡＭ存储空间的读操作次数（４８６４万次）很多、写操作次数（１０万次）很少，因而内存功耗降低了４６．０％．只包含选择分配内存管理算法的ＰＤＲＡＭ混合内存架构，在不包含选择分配和动态迁移内存管理算法的ＰＤＲＡＭ混合内存架构的基础上，大量增加了发生在ＰＲＡＭ存储空间的读操作次数（减少了发生在ＤＲＡＭ存储空间的读操作次数），因此比不包含选择分配和动态迁移内存


本文编号：3494665