基于延长写时间的优化非易失性存储器写寿命的内存管理方法技术

本发明专利技术公开一种基于延长写时间的优化非易失性存储器写寿命的内存管理方法。针对新型非易失性内存写寿命短的问题，利用内存Bank的空闲状态，采用延长写时间方式处理写数据请求，达到优化存储器写寿命的目标；进一步改进内存Bank的结构，将Bank划分为多个能同时独立工作的子块，提升Bank并行处理读写数据请求的能力，减少不同读写数据请求的冲突，创造更多可采用延长写时间处理写数据请求的机会，从而避免对内存性能的不利影响，最大限度地改善易失性内存写寿命短的问题。

Memory Management Method for Optimizing Write Life of Nonvolatile Memory Based on Extending Write Time

The invention discloses a memory management method for optimizing the write life of non-volatile memory based on prolonging write time. Aiming at the problem of short write life of new non-volatile memory, the idle state of memory bank is utilized to process write data requests by prolonging write time to achieve the goal of optimizing write life of memory. The structure of memory bank is further improved by dividing the bank into several sub-blocks that can work independently at the same time, which improves the ability of bank to process read and write data requests in parallel and reduces different read and write data. Conflict of requests creates more opportunities to handle write data requests by prolonging write time, thus avoiding adverse effects on memory performance and maximizing the problem of short write life in volatile memory.

【技术实现步骤摘要】
基于延长写时间的优化非易失性存储器写寿命的内存管理方法所属
本专利技术涉及一种计算机系统的内存管理方法。
技术介绍
当前计算机的内存主要是DRAM存储技术，但是DRAM技术的发展受到其自身特点的制约，比如周期性消耗能量来刷新电容维持数据、断电后数据丢失等。因此人们提出采用新型的非易失性，比如非易失性随机存储器(ReRAM)和相变储存器(PhaseChangeMemroy,PCM)来代替DRAM作为新一代的计算机内存。这些新型存储器具有密度高、可扩展性强、非易失和静态功耗低等优势。但是新型存储器具有一个共性的缺点：写寿命短。相比于DRAM，新型存储器的存储单元可被写次数较少，一旦频繁被写以至于超出可写次数的上限，该存储单元就失效，不能继续正确地存储数据。因此新型存储器要代替DRAM称为下一代内存技术，有待解决的首要问题就是写寿命短。一般的内存系统从逻辑上组织为通道(Channel)、内存组(Rank)、内存块(Bank)、内存行(Row)和存储单元(Cell)。多个Bank共享某个Channel与处理器相连。每个Rank包含一组同步工作的Bank。Bank是最小的可以独立并行工作的物理单元，即同时可有多个Bank独立地读/写数据。但是如果两个数据访问请求的目标数据在同一个Bank中，那么两个请求只能串行处理，不能并行服务。一个Bank包含大量的Cell，所有Cell横向为Row纵向为Column排列成二维矩阵。每列的Cell与一纵向的位线(Bitline)相联，横向的字线(Wordline)选中目标行的数据与位线联通后，将数据读取到Bank下部的行缓存器(RowBuffer)。数据访问请求到达Bank后，要完成数据访问需要经历三个步骤：1)激活：将二维存储阵列中的目标行数据读取到行缓存器；2)读写：读写行缓存器中的数据；3)写回：将行缓存器中的数据写回到二维存储阵列。写数据时间主要就耗费在写回步骤。将数据写到存储单元时，需要耗费一定的写时间和写能耗去改变存储单元的状态，达到更新数据的目的。如果压缩写时间、提升写数据的速度，就要增大写能耗；反之，延长写时间，就可以降低写能耗。而越大的写能耗则会越快地消耗存储单元的写寿命。写寿命的公式如下：其中tWL表示写延时，而t0是一个与器件相关的常数。UW是存储单元切换的阈值能耗，US是存储单元的写数据能耗。如果取UW/US-1＝2，则写时间延长后，对应的写寿命按平方关系增长；UW/US-1的值越大，写寿命则会有更高比例的增长。显然地，延长写寿命的一种方式是在存储数据时尽量延长写时间，但是延长写时间会对内存的存储性能不利。内存中的控制器包含读和写两个数据请求队列，负责将数据请求分发到各个目标Bank，因为读数据请求的优先级高于写数据请求，所以数据请求队列中针对某个Bank的读访问请求会优先于写数据请求处理。同一目标Bank的两个数据请求称为冲突请求。通常情况下，读写数据访问请求队列的长度大于内存Bank数。因此写数据队列中的每个写数据请求，很大可能与读数据队列中的某个数据请求冲突。如果写请求队列中待处理的写数据请求数量突破限值，则触发写清空操作，内存总线只能服务写操作，造成额外的开销，降低性能，所以要保证写数据请求队列中的数据请求的数量，避免写清空。盲目延长写数据时间的不利影响包括：1)延长数据的写时间，使得写数据请求队列的处理效率降低，更可能造成写数据请求数量突破限值，引发写清空；2)读数据请求优先级高于写数据请求，如果写时间延长，有可能造成后续到达的同一目标Bank的读数据请求等待，影响性能。
技术实现思路
本专利技术要克服现有技术的上述缺陷，提出基于延长写时间的优化非易失性存储器写寿命的内存管理方法。本专利技术的内容和特征就是：利用内存Bank的空闲状态，采用Bank级延长写时间策略，优化存储器的写寿命；将Bank划分为多个能够独立工作的子块结构，提升Bank并行处理读写数据请求的能力，创造更多可采用延长写时间处理写数据请求的机会；在Bank级延长写时间策略失效的情况下，利用Bank子块的并行服务能力，采用子块级延长写时间策略，进一步优化存储器的写寿命。本专利技术的一种基于延长写时间的优化非易失性存储器写寿命的内存管理方法，包含以下的技术步骤：1)Bank级延长写时间策略；内存包含多个Bank，每个Bank一个时刻只能处理一个读或者写数据请求，不同的读写数据请求对应不同的目标Bank，依次扫描写数据队列WQ中的每个写数据请求，如果其目标Bank与读数据队列RQ中的任一个读数据请求的目标Bank都不是同一个，则采用延长写时间方式处理当前写数据请求；否则，根据当前WQ的长度作相应处理；2)Bank细粒度结构优化；对Bank进行细粒度结构改进，提升Bank的并行服务能力。将一个Bank沿垂直方向等分为多个相同大小的二维存储阵列子块，每个子块包含局部行缓存器、地址缓存器和地址解析器。每个局部行缓存器都有1位的connected使能信号控制，使得每个时刻只有一个局部行缓存器与全局行缓存器相连，与外界进行数据交换。每个子块的激活和写存储阵列两个阶段可以独立完成，提升并行处理读写数据请求能力。3)子块级延长写时间策略；在Bank级延长写时间策略的基础上，进一步采用子块级延长写时间策略。依次扫描写数据队列WQ中的每个写数据请求时，如果发现当前写数据请求的目标Bank与读数据队列RQ中的某个读数据请求的目标Bank相同，则进一步检视两者的目标子块，如果目标子块不同，则依然可采用延长写时间方式处理写数据请求；否则，再根据当前WQ的长度作相应处理。本专利技术针对新型易失性存储器写寿命短的问题，提出利用内存Bank的空闲状态，采用延长写时间方式处理写数据请求，达到优化存储器写寿命的目标。并且改进内存Bank的结构，提升Bank并行处理读写数据请求的能力，创造更多可采用延长写时间处理写数据请求的机会，最大限度地改善易失性内存写寿命短的问题。本专利技术的优点：不仅可以利用Bank级的延长写时间策略，优化存储器的写寿命，还可以在Bank级延长写策略失效的情况下，利用子块级的延长写时间策略进一步提升存储器的写寿命。附图说明图1是本专利技术方法的读写数据请求处理图。图2是本专利技术方法的Bank结构图。具体实施方式下面结合附图，进一步说明本专利技术方法的技术方案。图1是读写数据请求处理图，内存控制器中包含读数据请求队列和写数据请求队列，内存系统基本的工作单位是Bank，每个数据请求根据地址信息分派到目标Bank依次处理。图2是Bank结构图，图(a)是原始的Bank结构图，图(b)是细粒度结构优化后的Bank结构图。本专利技术的一种基于延长写时间的优化非易失性存储器写寿命的内存管理方法，包含以下的技术步骤：1.Bank级延长写时间策略；应用程序的读写数据请求到达内存控制器的读写请求队列后，再被分发到各自的目标Bank进行处理。各个Bank分配到的数据请求数呈现不均匀状态，即个别Bank的数据请求数少而导致大部分时间处于空闲状态，为延长写时间处理些写请求提供机会。在不影响性能的前提下，采用延长写时间优化存储单元写寿命的必要条件是一个写数据请求发往内存Bank处理之前，读写数据请求队列中没有其他的写数据和读数据请求，等待发往同一本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于延长写时间的优化非易失性存储器写寿命的内存管理方法，包括以下步骤：1)Bank级延长写时间策略；内存包含多个Bank，每个Bank一个时刻只能处理一个读或者写数据请求，不同的读写数据请求对应不同的目标Bank，依次扫描写数据队列WQ中的每个写数据请求，如果其目标Bank与读数据队列RQ中的任一个读数据请求的目标Bank都不是同一个，则采用延长写时间方式处理当前写数据请求；否则，根据当前WQ的长度作相应处理；2)Bank细粒度结构优化；对Bank进行细粒度结构改进，提升Bank的并行服务能力；将一个Bank沿垂直方向等分为多个相同大小的二维存储阵列子块，每个子块包含局部行缓存器、地址缓存器和地址解析器。每个局部行缓存器都有1位的connected使能信号控制，使得每个时刻只有一个局部行缓存器与全局行缓存器相连，与外界进行数据交换。每个子块的激活和写存储阵列两个阶段可以独立完成，提升并行处理读写数据请求能力；3)子块级延长写时间策略；在Bank级延长写时间策略的基础上，进一步采用子块级延长写时间策略。依次扫描写数据队列WQ中的每个写数据请求时，如果发现当前写数据请求的目标Bank与读数据队列RQ中的某个读数据请求的目标Bank相同，则进一步检视两者的目标子块，如果目标子块不同，则依然可采用延长写时间方式处理写数据请求；否则，再根据当前WQ的长度作相应处理。...

【技术特征摘要】
1.基于延长写时间的优化非易失性存储器写寿命的内存管理方法，包括以下步骤：1)Bank级延长写时间策略；内存包含多个Bank，每个Bank一个时刻只能处理一个读或者写数据请求，不同的读写数据请求对应不同的目标Bank，依次扫描写数据队列WQ中的每个写数据请求，如果其目标Bank与读数据队列RQ中的任一个读数据请求的目标Bank都不是同一个，则采用延长写时间方式处理当前写数据请求；否则，根据当前WQ的长度作相应处理；2)Bank细粒度结构优化；对Bank进行细粒度结构改进，提升Bank的并行服务能力；将一个Bank沿垂直方向等分为多个相同大小的二维存储阵列子块，每个子块包含局部行缓存...

【专利技术属性】
技术研发人员：章铁飞，傅均，邢建国，
申请(专利权)人：浙江工商大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33