混合存储架构的自适应页面管理算法研究

发布时间：2017-09-29 00:14

  本文关键词：混合存储架构的自适应页面管理算法研究

  更多相关文章： PCM DRAM 混合主存 NAND flash 页缓存

【摘要】：近年来,超大规模集成电路的迅速发展使处理器的性能得到显著提升。并行计算、分布式计算、云计算等技术的逐渐成熟,计算机信息处理能力已经足够强大。然而,随着大数据时代的来临,计算机存储系统存在的各类问题却日渐突出,如传统DRAM主存静态功耗大,集成度低等问题已经成为限制现代计算机系统发展的主要瓶颈之一。非易失性存储器(Non-Volatile Memory,NVM),例如PCM、FeRAM、ReRAM、 STT-RAM等由于其非易失、低静态功耗、高密度、高速度等特点为现代计算机内存升级提供了新的契机。然而,相对传统DRAM内存,NVM同样存在着不可忽视的缺点,如读写次数有限,较高的写功耗、写延迟等。为充分发挥各种存储介质的优势,本文利用PCM和DRAM作为混合主存(hyrbid main memory),NAND flash作为外存,构造混合存储系统。针对混合主存中页缓存(page cache),研究自适应页面管理算法。主要内容包括：首先,不考虑NAND flash外存特性,研究PCM+DRAM混合主存中页缓存管理算法。充分利用PCM静态功耗低、集成度高及DRAM写延迟小、写功耗低等优点构建大容量、高速度、低功耗、长寿命的混合主存系统。针对混合主存系统中页缓存管理提出一种自适应页面管理算法AIMR (Adaptive page Insertion, Migration, and Replacement)。在自适应的页面性质预测机制的基础上,分别建立AIMR页面载入、迁移、替换算法。其次,在AIMR基础上考虑NAND flash外存特性,研究基于NAND flash的页缓存管理算法。相较于传统磁盘存储,NAND flash由于没有内部寻道时间,因此具有较高的随机读速度。此外,其存储介质读写速度决定了NAND flash具有较高的顺序读写速度。然而,NAND flash同样存在着随机写性能差,且寿命有限的问题,已有研究表明NAND flash随机写速度甚至比传统机械硬盘慢。本文基于页面访问时间和NAND flash空间局部性,建立NAND flash页缓存自适应的页面替换算法APTS(Adaptive page Replacement algorithm by combing Temporal and Spatial locality)。最后,本文将AIMR与APTS进行融合,建立混合存储系统自适应页面管理算法。融合方式为,将整个页缓存管理从逻辑上分为两层。其中,APTS运行在第一层,而AIMR作为APTS的PBR区域页管理算法运行在第二层。通过搭建GEM5 +NVMain+DRAMSim+McPAT+FlashSim的综合仿真环境,进一步评估AIMR+APTS融合后在混合存储系统下的性能。实验表明,本文提出的混合存储系统下自适应页面管理算法较传统CLOCK算法在内存平均访问延迟上性能平均提高61.5,主存功耗减少25%,并且提升21.8%的外存吞吐率。本文为构建大容量、高速度、低功耗、长寿命的存储系统提供了重要方法借鉴。
【关键词】：PCM DRAM 混合主存 NAND flash 页缓存
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP333
【目录】：

• 摘要8-10
• Abstract10-12
• 第一章 绪论12-21
• 1.1 课题研究背景和意义12-15
• 1.2 国内外研究现状15-18
• 1.3 本文的主要工作18-19
• 1.4 本文的组织结构19-21
• 第二章 混合存储架构关键点研究21-34
• 2.1 混合存储架构组成21-22
• 2.2 PCM+DRAM混合主存研究22-25
• 2.3 NAND flash缓存研究25-33
• 2.4 本章小结33-34
• 第三章 混合主存页面管理算法34-50
• 3.1 热页预测机制34-39
• 3.2 混合主存自适应页面管理算法39-46
• 3.3 仿真实验46-49
• 3.4 本章小结49-50
• 第四章 NAND flash缓存页面替换算法50-58
• 4.1 缓存替换算法分析50-51
• 4.2 NAND flash自适应缓存替换算法51-53
• 4.3 仿真实验53-57
• 4.4 本章小结57-58
• 第五章 实验结果及分析58-65
• 5.1 AIMR与APTS算法融合58-59
• 5.2 测试环境介绍59-61
• 5.3 测试结果与分析61-63
• 5.4 本章小结63-65
• 第六章 结论与展望65-67
• 参考文献67-72
• 致谢72-73
• 攻读学位期间发表的主要学术论文73-74
• 攻读学位期间参与科研项目及获奖情况74-75
• 学位论文评阅及答辩情况表75

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本文编号：938876