本文關鍵詞：混合主存感知的末級緩存管理策略研究

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【摘要】：由于當前嵌入式系統(tǒng)運行的應用程序越來越復雜和強大,基于SRAM/DRAM的存儲系統(tǒng)逐漸成為了系統(tǒng)能耗和擴展性的瓶頸。最近出現(xiàn)的新型非易失性存儲器,包括自旋矩傳輸磁存儲器(STT-MRAM)、阻變存儲器ReRAM和相變存儲器(PCM),被認為是下一代存儲體系中非常有競爭力的一種存儲器。和傳統(tǒng)的存儲器相比,NVM具有高密度、低靜態(tài)功耗和非易失性的特點。然而,目前NVM由于其本身的物理特性,導致其訪問延遲較長和動態(tài)功耗較高,尤其是寫操作。為了綜合利用不同存儲器的優(yōu)良特性,基于DRAM和NVM的混合存儲架構已經(jīng)被提出來了,被認為是實現(xiàn)高性能和低能耗計算機系統(tǒng)的一種有效解決途徑。通常,目前研究的混合存儲架構類型可分為兩種：(i)使用容量較小且被硬件控制的DRAM作為完全由NVM構成的主存系統(tǒng)的一個緩沖區(qū)；(ii) DRAM和NVM處于同一存儲層次,共同構成系統(tǒng)的主存空間。本文的研究基于第二種,稱之為混合主存架構。混合主存架構的最終目標就是通過有效利用DRAM較低的寫延遲和NVM高密度以及低靜態(tài)功耗等各自優(yōu)良的特性,以便提高系統(tǒng)的性能和降低能耗。為了上述目標,目前大多數(shù)針對混合主存架構的研究都集中于通過不同的主存管理策略在DRAM和NVM空間之間進行動態(tài)的頁面遷移。然而,在普遍具有緩存Cache的現(xiàn)代處理器中,如果Cache是通過物理地址進行訪問,在混合主存架構中實現(xiàn)DRAM和NVM的不同存儲空間數(shù)據(jù)的遷移需要付出很大的代價,其不僅需要主存不同存儲空間數(shù)據(jù)的拷貝而且也需要對Cache進行更新操作。實際上,緩存Cache管理策略不僅決定了Cache發(fā)生缺失和對主存訪問的數(shù)目,同時對單獨主存塊數(shù)據(jù)的缺失率也有較大影響。因此,在混合主存系統(tǒng)中,通過設計相應的緩存Cache管理策略可以比較高效地對DRAM數(shù)據(jù)和NVM數(shù)據(jù)的讀寫操作數(shù)目進行控制。但是,當前普遍使用的緩存Cache管理策略LRU并沒有意識到NVM的操作(特別是寫操作)和DRAM操作之間對系統(tǒng)性能影響的差異,因此不是一個最好的緩存管理策略設計。目前,針對混合存儲架構設計的緩存管理策略僅有一個通過為DRAM和NVM劃分不同緩存空間進行設計的緩存管理策略HAP。HAP分別使用DRAM和NVM的讀延遲作為相對應的數(shù)據(jù)發(fā)生缺失時的代價值。然而,本文通過相關實驗表明,由于NVM較長的寫延遲和較高的寫能耗,從末級緩存LLC中被替換出的臟數(shù)據(jù)引起的寫操作對系統(tǒng)的影響也很大,其也應該在緩存管理策略設計時加以考慮。本論文為獲得高性能和低能耗的混合存儲架構設計,提出了一種基于寫回感知的共享末級緩存管理策略WBAR。簡而言之,本論文設計的WBAR是一種基于LRU的變型,控制邏輯相對簡單,易于實現(xiàn)。WBAR是以相應數(shù)據(jù)塊被替換出去所造成的代價為依據(jù)決定數(shù)據(jù)塊的相應位置,而不是如LRU,新插入的或被訪問命中數(shù)據(jù)塊都被放入到最高優(yōu)先級的位置MRU。實驗結果表明本文提出的緩存管理策略相比于LRU和HAP,在性能和能耗上都有較大的改善。
【關鍵詞】：非易失性存儲器 混合主存 緩存 管理策略 寫回
【學位授予單位】：山東大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TP333
【目錄】：

• 摘要8-10
• ABSTRACT10-12
• 第一章 緒論12-17
• 1.1 課題研究背景及意義12-14
• 1.2 本文的主要工作14-15
• 1.3 本文的章節(jié)安排15-17
• 第二章 相關背景及研究現(xiàn)狀17-27
• 2.1 主存17-20
• 2.1.1 主存工作機制17-18
• 2.1.2 NVM的相關特性帶來的機遇與挑戰(zhàn)18-19
• 2.1.3 針對NVM主存的研究現(xiàn)狀19-20
• 2.2 緩存20-26
• 2.2.1 緩存工作原理20-23
• 2.2.2 針對末級緩存的研究現(xiàn)狀23-26
• 2.3 本章小結26-27
• 第三章 混合主存與緩存間關系的研究27-32
• 3.1 系統(tǒng)整體架構27-28
• 3.2 缺失代價差異明顯28-29
• 3.3 NVM和DRAM對緩存資源的競爭29-30
• 3.4 NVM數(shù)據(jù)寫回的影響30-31
• 3.5 本章總結31-32
• 第四章 混合主存架構下緩存管理策略設計32-40
• 4.1 末級緩存行為分析32-35
• 4.2 寫回感知的末級緩存管理策略設計35-38
• 4.3 本章小結38-40
• 第五章 實驗環(huán)境以及結果分析40-48
• 5.1 實驗環(huán)境配置40-41
• 5.2 工作集41-42
• 5.3 實驗結果及分析42-46
• 5.3.1 性能比較42-45
• 5.3.2 能耗比較45-46
• 5.4 代價分析46-47
• 5.5 本章小結47-48
• 第六章 總結與展望48-50
• 6.1 工作總結48-49
• 6.2 研究展望49-50
• 參考文獻50-55
• 致謝55-56
• 攻讀學位期間發(fā)表的主要學術論文56-57
• 攻讀學位期間參與科研項目及獲獎情況57-58
• 學位論文評閱及答辯情況表58

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1 司成祥;孟曉p，

本文編號：935529