基于嵌入式系統(tǒng)混合主存的頁面管理方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種頁面管理的方法，尤其涉及一種基于嵌入式系統(tǒng)混合主存的頁面 管理方法。
【背景技術】
[0002] 大數據時代，隨著多核系統(tǒng)和新型應用程序的出現和普及，計算機系統(tǒng)模型已經 逐漸從計算驅動演化為數據驅動。因此，大容量的內存是保證整個計算機系統(tǒng)性能的關鍵。 然而，傳統(tǒng)的基于DRAM的內存密度很難做到很大。研宄表明，未來DRAM工藝的密度不會小 于22nm。此外，DRAM的工作機制決定了其必須在一定的間隔內（2ms)對其進行刷新。這些 額外的刷新操作獨立于數據的存儲，但是其能量消耗在大多數應用中會占據整個DRAM能 量消耗的70%以上。造成的結果是，傳統(tǒng)DRAM內存的能量消耗至少占整個計算機系統(tǒng)的 40%〇
[0003] 嵌入式系統(tǒng)是面向特定應用的，軟硬件可剪裁的計算機系統(tǒng)。由于其本身固有的 特點，對存儲器的面積和能量消耗有嚴格的要求。因此，傳統(tǒng)DRAM的密度小和功耗大的 特點嚴重限制了大容量DRAM內存應用在嵌入式系統(tǒng)之中。而相變存儲器（PhaseChange Memory,PCM)的出現為嵌入式系統(tǒng)中大容量內存提供了新的機遇。
[0004] PCM是一種以硫族化物（如Ge2Sb2Te5, Ge4SblTe5)作為存儲介質的非易失性半 導體存儲器，當系統(tǒng)掉電后，其存儲單元內部的數據不會丟失。硫族化物是一種相變材料， 在不同的電壓之下會呈現出結晶和非結晶狀態(tài)。結晶狀態(tài)具有較低的電阻值而在非結晶狀 態(tài)具有較高的電阻值。利用該特性，可以分別存儲計算機系統(tǒng)中的二進制1和〇。此外，為 了更大的增加PCM的密度以減小芯片面積。工業(yè)界利用相變材料高阻態(tài)和低阻態(tài)之間的其 它電阻狀態(tài)來實現在一個存儲單元內存儲多個二進制位。該PCM工藝稱之位Multi-Level Cell (MLC)，與之對應，一個SLC只能存儲一位數據。由于MLC的特性復雜，而且寫操作速度 比SLC慢很多，目前的研宄以SLC為主。與傳統(tǒng)DRAM相比，PCM存儲器作為內存具有以下 優(yōu)點：
[0005] (1)高密度：不同于傳統(tǒng)基于電容陣列的DRAM，PCM以相變材料作為存儲介質，其 各個存儲單元之間的距離可以做到非常小，研宄表明，PCM的密度可以在未來短時間內突破 16nm。早在2012年，三星公司就研制出20nm支撐的8GB相變存儲器。而且，MLCPCM的存 儲單元密度會更大。
[0006] (2)低能耗：由于PCM以電阻值差異存儲數據，因此，不存在傳統(tǒng)DRAM中的刷新操 作，極大地減少了存儲器的能量消耗。此外，PCM內部沒有機械傳動裝置，進一步減少能耗。
[0007] (3)非易失：PCM存儲單元的內容在系統(tǒng)掉電后會保持不變。因此，如果將PCM作 為主存，在系統(tǒng)重新上電后會延續(xù)掉電之前系統(tǒng)狀態(tài)而繼續(xù)執(zhí)行。有效的減小系統(tǒng)的啟動 時間，保證了數據的安全性和一致性。
[0008] (4)抗干擾：傳統(tǒng)DRAM內存需要采用電容作為存儲單元，而電容都會存在耐壓的 問題，如果電壓超過額定電壓，電容器就會損壞。而PCM不會存在這樣的問題。
[0009] 鑒于PCM以上優(yōu)點，將其作為嵌入式系統(tǒng)大容量主存是一個很好的選擇。然而，目 前PCM存儲器仍然存在不足，主要表現在以下幾個方面：
[0010] (1)有限的寫次數：當PCM存儲單元寫入一定量的數據之后，會變的不穩(wěn)定，以至 于讀出的數據和寫入的數據不同。存儲單元通常情況下，PCM存儲單元的寫次數限制大約 為 107-108。
[0011] (2)寫延遲長：由于晶體材料狀態(tài)改變需要維持較長的時間。因此，相對于傳統(tǒng) DRAM，PCM向存儲單元中寫入數據需要更長的時間。
[0012] (3)較高的動態(tài)能耗：PCM的寫操作由于需要經過強電流加熱和快速促滅使晶體 材料狀態(tài)發(fā)生改變，使得寫操作的功耗比讀操作大大提高。在對PCM存儲單元進行數據寫 入時，會比傳統(tǒng)DRAM消耗更多的能量。
[0013] 下表顯示了PCM，DRAM與NANDFlash的各種參數對比：
[0015] 為了同時發(fā)揮PCM和DRAM兩者優(yōu)點的同時能有有效的避免各自缺點，學術界提出 了PCM和DRAM的混合主存架構（HybridMainMemoryArchitecture)。在該架構中，PCM和DRAM位于兩個并列的線性地址空間中。操作系統(tǒng)會區(qū)分這兩個空間并將大多數的寫操 作位于DRAM完成而讀操作在PCM中完成。該架構能夠同時利用DRAM低的寫延遲和動態(tài)功 耗的優(yōu)點和PCM高密度和靜態(tài)功耗的優(yōu)點，同時又能有效避免兩者缺點。
[0016]在該架構中，為了避免在PCM中產生過多的寫操作，需要在傳統(tǒng)操作系統(tǒng)頁面管 理的基礎上增加頁面迀移策略。將位于PCM中經常被寫的頁面（write-hotpage)迀移到 DRAM中，而將DRAM中很少被寫的頁面迀移到PCM中以更加高效利用DRAM空間。然而，如何 預測未來頁面的寫特點是一件非常困難的事情。盡管今年來學術界對混合主存的頁面管理 的研宄很多，但是普遍存在以下缺點：
[0017] (1)始終將讀頻繁的頁面放置和迀移到PCM中：
[0018] 在寫密集型的應用中，該策略是可行的；然而，在讀密集型的應用中，DRAM存儲空 間得不到有效的使用，而且由于頁面缺失的問題導致的PCM寫次數會大大增加。
[0019] (2)在頁面管理策略運行之前需要用戶確定很多參數的值：
[0020] 如PCM頁面的寫次數超過多少時迀移到DRAM;對于不同的應用程序，這些參數的 值往往很難確定。
[0021] (3)不能有效的預測寫頻繁的頁：
[0022] 當策略檢測到一個PCM頁面頻繁被寫后，將其迀移到DRAM，但該頁面此后不再被 寫會造成錯誤的迀移；或者當策略檢測到一個DARM頁面很少被寫后，將其迀移到PCM，但該 頁面此后經常被寫也會造成錯誤的迀移。

【發(fā)明內容】

[0023] 為了彌補現有技術存在的缺陷和不足，本發(fā)明提出了一種基于嵌入式系統(tǒng)混合主 存的頁面管理方法，該方法針對嵌入式系統(tǒng)中的PCM/DRAM混合主存，能夠極大地延長混合 主存的壽命，減小應用程序的執(zhí)行延遲以及減小整個內存系統(tǒng)的能耗。
[0024] 為了達到以上目的，本發(fā)明的技術方案如下：
[0025] 一種基于嵌入式系統(tǒng)混合主存的頁面管理方法，所述嵌入式系統(tǒng)混合主存為嵌入 式系統(tǒng)PCM/DRAM混合主存，嵌入式系統(tǒng)的CPU發(fā)送訪問頁面的請求，若CPU的請求數據或 者指令不在緩存中，則執(zhí)行訪問主存進行頁面管理，包括以下步驟：
[0026] 步驟（1):構建存在于混合主存中頁面的CLOCK鏈表和存儲的數據為從CLOCK鏈 表中移出內存的頁面的元數據的LRU鏈表；
[0027] 步驟（2):判斷請求被訪問的頁面是否存儲在嵌入式系統(tǒng)的混合主存中，若存儲 在嵌入式系統(tǒng)的混合主存中，則訪問CLOCK鏈表，并判斷CLOCK鏈表中的頁面的類型進行 頁面標識位的更改操作或頁面迀移操作；若沒有存儲在嵌入式系統(tǒng)的主存中，則進入步驟 (3)；
[0028] 步驟⑶：獲取一個空閑頁面作為被訪問頁面的存儲空間，并訪問LRU鏈表，再調 用頁面插入算法將被訪問頁面插入到混合主存中。
[0029] 所述步驟（2)中的標識位包括：訪問位、寫位和建議位。
[0030] 所述步驟（2)中被訪問頁面命中的類型，包括最近被訪問的頁面和經常被訪問的 頁面，分別存儲于CLOCK鏈表T1和CLOCK鏈表T2中。
[0031] 所述經常被訪問的頁面的判斷過程為：
[0032] 如果從頁面的訪問位變?yōu)?開始，到變?yōu)?之前對該頁面再次進行訪問，則該頁面 為經常被訪問的頁面。
[0033] 所述最近被訪問的頁面的判斷過程為：