基于相变存储器的存储系统结构及其损耗均衡算法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于相变存储器的存储系统结构及其损耗均衡算法，包括内外存控制器及其外围设备以及与内外存控制器连接的内、外存存储单元；所述内存存储单元为相变存储器PCM和动态随机存取存储器DRAM，所述外存存储单元为相变存储器PCM。本发明专利技术将传统的计算机存储体系结构中分离的内存与外存联合起来，数据读写能力将比现在以外部I/O连接的外存高几十万倍，同时非常省电，从根本上解决外存与内存、传统存储层次结构与处理器之间性能不匹配的矛盾，内存和外存由同一控制器控制，读写过程的速度和能耗可以比现有存储系统优越万倍以上，从而从根本上解决内存与外存之间性能的巨大差异。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种基于相变存储器（Phase Change Memory，PCM）的内外存存储单元的存储系统结构及其损耗均衡算法。
技术介绍
计算机存储系统包括了内存与外存。传统的内存（DRAM）与外存（硬盘）在速度与能耗上存在巨大的差异，如图1所示。经比较，相变存储器PCM与动态随机存取存储器DRAM相比，相变存储器PCM是非易失的，不需要刷新操作；DRAM在硬件上所需的空间较大，它无法缩小到20纳米或更小的芯片上实现，而相变存储器甚至可以在5纳米的芯片上实现。因此，具有较强可塑性的相变存储器PCM成为替代动态随机存取存储器DRAM的很有吸引力的存储器。但是使用相变存储器PCM存在如下问题：1、“读”“写”速度的不对称。相对于读操作而言，非易失性存储器上的写操作较慢并消耗更多的能量；2、非易失性存储器的擦写操作次数有限。因此仍然需要考虑相变存储器PCM的损耗均衡问题。随着相变存储器PCM技术的发展，PCM可以提供比DRAM更多的存储容量，同时维持低消耗、低功耗。已经有几种基于PCM的存储架构被提出来了。第一种存储架构是用PCM直接替代DRAM；这是一种理想的架构，PCM的访问延迟不能满足DDR接口的时序要求。另一种存储架构是在PCM之前用一小块DRAM作为缓存，这种架构的访问时间和性能接近只有DRAM的架构。在整个存储架构中，外存仍然是一个瓶颈。在之前的研究中，只有PCM被用来代替DRAM作为主存，而没有用来替换硬盘作为外存的存储器结构。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了解决上述问题，提出了一种基于相变存储器的存储系统结构及其损耗均衡算法。该结构把传统的计算机存储体系结构中分离的内存与外存联合起来，从根本上解决外存与内存、传统存储层次结构与处理器之间性能不匹配的矛盾。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种基于相变存储器的存储系统结构，包括内外存控制器及其外围设备以及与内外存控制器连接的内、外存存储单元；所述内存存储单元为相变存储器PCM和动态随机存取存储器DRAM，所述外存存储单元为相变存储器PCM。所述内外存控制器包括：缓存管理模块：用于暂存频繁更新的数据。地址映射管理模块：通过查找地址映射表，实现逻辑地址到内、外存存储单元中物理地址的转换。读写逻辑单元：用于对内、外存存储单元进行读写操作。状态监测模块：与上层操作系统通信，用于对内外存存储单元的配置进行优化。损耗均衡控制单元：通过损耗均衡算法，将写操作均衡分布到各个相变存储器PCM单元中。所述地址映射管理模块与缓存管理模块、状态监测模块、损耗均衡控制单元和读写逻辑单元分别连接，损耗均衡控制单元与读写逻辑单元连接。所述内外存控制器的外围模块包括：DIMM接口：实现内外存控制器与CPU的连接通信。时钟管理模块：用于为内外存控制器中的各个模块提供不同的时钟。电源管理模块：用于负责内外存控制器中电源的管理。调试单元：用于对内外存控制器进行程序烧写及仿真调试。以及实现内外存控制器与内、外存存储单元连接的DDR接口和若干PCM接口。所述PCM接口与相变存储器PCM连接，DDR接口与动态随机存取存储器DRAM连接。一种基于相变存储器的存储系统结构的损耗均衡算法，包括以下步骤：（1）将存放页表和ECC校验的地址空间作为热区，剩下的区域作为冷区。（2）在整个相变存储器PCM中周期性的移动热区：当写的次数到达预设的阈值时，触发热区的移动，当热区移动到PCM的底部时，继续移动与PCM芯片顶部的内容进行交换。（3）随着热区的移动，通过建立地址映射关系将逻辑地址映射到物理地址。（4）根据物理地址所在区域对应的寄存器再进行一次地址变换，得到真正的物理地址。所述步骤（3）中建立逻辑地址和物理地址的地址映射关系，分3种情况：a.当逻辑地址LA在热区内时，把逻辑地址LA加上热区的起始物理地址R_HStart得到物理地址。b.当逻辑地址LA不在热区中，且小于热区之后的第一个逻辑地址R_CStartL时，逻辑地址LA加上热区的起始物理地址R_HStart，再加上整个PCM的总长度Len，再减去R_CStartL得到物理地址。c.当逻辑地址LA不在热区，且大于等于热区之后的第一个逻辑地址R_CStartL时，逻辑地址LA加上热区的起始物理地址R_HStart，再加上热区的总长度HLen，再减去R_CStartL得到物理地址。所述步骤（4）中地址变换的过程为：将物理地址PA中用于区域内寻址的循环右移之后的低位地址与对应的高位地址结合得到真正的物理地址。本专利技术的有益效果是：本专利技术将传统的计算机存储体系结构中分离的内存与外存联合起来，数据读写能力将比现在以外部I/O连接的外存高几十万倍，同时又非常省电，从根本上解决外存与内存、传统存储层次结构与处理器之间性能不匹配的矛盾，这是对现有存储系统的革命性变化。本专利技术中内存和外存由同一控制器控制，可以应用在任何计算机或嵌入式系统的存储系统里，读写过程的速度和能耗可以比现有存储系统优越万倍以上，从而从根本上解决内存与外存之间性能的巨大差异。本专利技术提供的损耗均衡算法与START-GAP这种典型的算法做比较，损耗均衡方面做的更好，PCM最大位的反转次数要少86.77％，PCM总的写次数要多3.6%，虽然增加了寄存器的容量，但是带来了非常好的效果。附图说明图1为传统的存储系统结构及数据传输路径示意图；图2为本专利技术基于相变存储器的存储系统结构数据存储路径示意图；图3为本专利技术基于相变存储器的存储系统结构示意图；图4为逻辑地址到物理地址的映射示意图。其中，1.DIMM接口,2.缓存管理模块,3.地址映射管理模块,4.读写逻辑单元,5.状态监测模块,6.损耗均衡控制单元,7.时钟管理模块,8.电源管理模块,9.调试单元,10.DDR接口,11.PCM接口,12.DRAM,13.PCM。具体实施方式：下面结合附图与实施例对本专利技术做进一步说明：图2所示为本专利技术基于相变存储器的存储系统结构数据存储路径示意图，用相变存储器PCM13来替换DRAM和硬盘，达到内外存存储单元。在PCM13主存部分，由于PCM13的写延迟和写次数限制，仍然用一小块DRAM12作为缓存；通过一个内外存控制器来有效的管理PCM13，避免不均衡的写导致PCM单元损坏。本法明将传统的计算机存储体系结构中分离的内存与外存统一起来，内存和外存由同一控制器控制，可以应用在任何计算机或嵌入式系统的存储系...

【技术保护点】
一种基于相变存储器的存储系统结构，其特征是，包括内外存控制器及其外围设备以及与内外存控制器连接的内、外存存储单元；所述内存存储单元为相变存储器PCM和动态随机存取存储器DRAM，所述外存存储单元为相变存储器PCM。

【技术特征摘要】
1.一种基于相变存储器的存储系统结构，其特征是，包括内外存控制器及其外围设备以
及与内外存控制器连接的内、外存存储单元；所述内存存储单元为相变存储器PCM和动态随
机存取存储器DRAM，所述外存存储单元为相变存储器PCM。
2.如权利要求1所述的一种基于相变存储器的存储系统结构，其特征是，所述内外存控
制器包括：
缓存管理模块：用于暂存频繁更新的数据；
地址映射管理模块：通过查找地址映射表，实现逻辑地址到内、外存存储单元中物理地
址的转换；
读写逻辑单元：用于对内、外存存储单元进行读写操作；
状态监测模块：与上层操作系统通信，用于对内外存存储单元的配置进行优化；
损耗均衡控制单元：通过损耗均衡算法，将写操作均衡分布到各个相变存储器PCM单元
中；
所述地址映射管理模块与缓存管理模块、状态监测模块、损耗均衡控制单元和读写逻辑
单元分别连接，损耗均衡控制单元与读写逻辑单元连接。
3.如权利要求1所述的一种基于相变存储器的存储系统结构，其特征是，所述内外存控
制器的外围模块包括：
DIMM接口：实现内外存控制器与CPU的连接通信；
时钟管理模块：用于为内外存控制器中的各个模块提供不同的时钟；
电源管理模块：用于负责内外存控制器中电源的管理；
调试单元：用于对内外存控制器进行程序烧写及仿真调试；
以及实现内外存控制器与内、外存存储单元连接的DDR接口和若干PCM接口。
4.如权利要求3所述的一种基于相变存储器的存储系统结构，其特征是，所述PCM接口
与相变存储器PCM连接，DDR接口与动态随机存取存储器DRAM连接。
5.一种如权利要求1所述的基于相变存储器的存储系统结构的损耗均衡算法，其特征
是，包括以下步骤：
（1）将存放页表和ECC校验的地址空间作为热区，剩下的区域作为冷区；
（2）在整个相变存储器PCM的始端到...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾智平，王冠，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东;37