一种基于异构混合内存系统的页面分配方法技术方案

本发明专利技术属于计算机存储领域，涉及一种基于异构混合内存系统的页面分配方法，包括根据异构混合内存系统页面的访问模式和存储特性，在页面分配过程中对页面进行分类存储；将所有页面都存放于DRAM中，当DRAM存储空间不足时，优先将具有读特性的页面置换至NVM中存储；采用蓄水池抽样算法对置换的页面即请求页面进行页面抽样，提取出样品，记录并确定样品位置；选择NVM空闲页面链表中的部分空闲页面，根据请求页面记录的样品位置提取出NVM空闲页面的样品，并更新NVM样品集；计算请求页面样品和样品集中样品的相似度，选择相似度最高的样品所代表的NVM的空闲页面，将其分配给请求页面；本发明专利技术在有限的系统开销内降低系统能耗，具有较好的实用性。

A page allocation method based on heterogeneous hybrid memory system

【技术实现步骤摘要】
一种基于异构混合内存系统的页面分配方法
本专利技术属于计算机存储领域，特别是基于NVM的混合内存架构能耗优化方面，提出一种混合内存页面分配的能耗优化方法。
技术介绍
随着大数据、云计算，人工智能和机器学习等技术的快速发展，高并发海量数据的处理对现有内存系统提出了更高的要求，由于动态随机存储器(DynamicAccessRandomMemory，DRAM)的制造工艺，导致DRAM的容量越来越不能满足现代海量数据的访问，而且DRAM动态和刷新功耗突出，导致访问内存的功耗占了整个内存的功耗的大部分，高并发海量的数据访问内存带来的能耗问题越来越明显，提高内存容量且降低内存能耗成为解决问题的关键。新型非易失性存储器(None-VolatileMemory，NVM)；具有的非易失性，可字节寻址，静态功耗低，存储密度大，且访问NVM的时延和访问DRAM的时延接近，容量大，可以作为以DRAM易失性存储器构成的内存系统的补充，近年来，有大量研究关于DRAM和NVM构成的混合的内存系统并取得了研究成果，随着当前内存系统对大容量，易扩展性和低功耗的高性能的内存系统的需求不断攀升，目前存在的静态功耗高、DRAM的容量小、扩展性不高等问题，新型非易失性存储器出现为解决这些限制提供可能，虽然新型非易失存储器具有的低静态功耗、非易失性、扩展性高等特点，但是存储单元的写次数有限且耐受性差，访问时延大，访问性能也逊色DRAM，所以，NVM还无法完完全全取代DRAM作为主存，通常采用统一编址，利用各自具有的优势，形成混合内存是目前比较常用的架构。一般的内存页面分配算法主要采用页面置换策略(LeastRecentlyUsedReplacement,简称LRU)，例如中国专利CN109189592A中提出的基于混合式内存结构的共享缓存替换算法及装置中采用了该策略，但由于LRU策略只考虑了内存页面访问的频繁程度(冷热程度)而没有考虑内存页面被访问的读写特性，因此将导致混合内存的能耗开销较高。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种基于NVM/DRAM混合内存的页面分配能耗优化方法，不仅对DRAM中内存页进行更细致的分类，也考虑了NVM页面特点，对于NVM已经释放的空闲页面，进行再次分配使用，从而优化了NVM页面的写入，减少了混合内存能耗开销，从而延长存储寿命。未达到上述目的，本专利技术提供了如下技术方案：一种基于异构混合内存系统的页面分配方法，包括以下步骤：S1、根据异构混合内存系统页面的访问模式和存储特性，在页面分配过程中对页面进行分类存储；S2、优先将所有页面都存放于DRAM中，当DRAM存储空间不足时，优先将具有读特性的页面置换至NVM中存储；S3、采用蓄水池抽样算法对置换的页面即请求页面进行页面抽样，提取出样品，记录并确定样品位置；S4、选择NVM空闲页面链表中的部分空闲页面，根据请求页面记录的样品位置提取出NVM空闲页面的样品，并更新到NVM样品集；S5、计算请求页面样品和NVM样品集中样品的相似度，选择样品集中相似度最高的样品所代表的NVM的空闲页面，并将其分配给请求页面。进一步的，所述进行分类存储包括根据混合内存页面的活跃标识和读写标识，将页面划分为最近被的页面、最近少量被写的页面以及最近频繁被写的页面三个分类类别；并在异构混合内存系统中采用二级页面链表进行维护。进一步的，所述二级页面链表包括第一级页面链表和第二级页面链表，所述第一级页面链表为采用LRU页面置换策略管理的链表，所述第二级页面链表包括与页面分类类别对应的最近读链表、最近少量写链表以及最近频繁写链表。进一步的，所述在异构混合内存系统中采用二级页面链表进行维护具体包括第一级页面链表采用LRU页面置换策略管理DRAM中的所有内存页面，若第一级链表空间不足，则将淘汰的页面保存到第二级页面链表中；第二级页面链表根据页面标识，分别将淘汰的页面存储在管理最近读链表、最近少量写链表以及最近频繁写链表中；其中，如果最近读链表的页面发生了写操作，则将其迁移到最近少量写链表中，如果最近少量写链表的页面发生了写操作，则将其迁移到最近频繁写入链表中，如果最近少量写链表上的页面发生读取操作，则将其迁移到最近读链表中，而如果最近频繁写链表上的页面发生了两次读取操作，则将其迁移到最近读链表中。进一步的，所述步骤S2还包括若当DRAM存储空间不足时，优先将管理读特性链表的页面拷贝到NVM中，若拷贝后DRAM存储空间仍然不足，则将管理最近少量写链表的页面拷贝到NVM。进一步的，所述采用蓄水池抽样算法对请求页面进行抽样包括构造一个容纳大小为K字节的样品窗口，将前K个位置的页面数据位直接放入样品窗口中；从第K+1的位置开始，以K/N的概率来决定该K+1位置的页面数据位是否进入样品窗口，如果被选中进入样品窗口，则记录提取样品的位置；循环遍历完所有页面位置，将样品窗口中的数据作为抽样出的样品，将提取出的样品位置作为提取NVM空闲页面样品的固定位置；其中，N为页面规模。进一步的，所述计算请求页面样品和NVM样品集中样品的相似度包括采用基于杰卡德改进的页面相似度算法，为请求页面的样品计算其对于NVM样品集中空闲页面样品的相似度。进一步的，所述基于杰卡德改进的页面相似度算法具体包括将请求页面记录的样品和NVM空闲页面样品进行异或得到Page，计算得到样品位为0的数量M；计算出Page的总位数BN，将M与BN的比值作为请求页面和NVM样品集中样品的相似度。本专利技术的有益效果：1)本专利技术对DRAM内存页进行了更细致的分类，考虑了NVM的读写特性，从NVM空闲页面的分配出发提出优化，采用这种方法的混合内存具有能耗低，NVM使用寿命长等特点；2)本专利技术采用DRAM内存页面的改进LRU替换算法，能够根据内存页面的冷热程度和页面被访问的读写特性，对页面分类存储，当DRAM空间不足时优先将具有读倾向性的页写入NVM；3)本专利技术中置换到NVM中的请求页面考虑了NVM页面结构，重复利用已经释放的空闲页面，再找到最相似的页面再次分配，为了减少页面的比较开销，采用抽样方法，避免了整个页面的比较，进一步减少了能耗。附图说明图1为本专利技术采用的异构混合内存系统的结构图；图2为本专利技术一种基于异构混合内存系统的页面分配方法的流程图；图3为本专利技术中分类存储的二级页面链表结构图；图4为本专利技术请求页面选择最佳的NVM空闲页面抽样示例图；图5为本专利技术中基于杰卡德改进的页面相似度算法结构图；图6为本专利技术中一种基于异构混合内存系统的页面分配管理方法的流程图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。如图1所示，本专利技术中的异构混合内存系统基于DRAM和NVM统一编址，挂载在同一内存总线上，共享本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于异构混合内存系统的页面分配方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1、根据异构混合内存系统页面的访问模式和存储特性，在页面分配过程中对页面进行分类存储；/nS2、优先将所有页面都存放于DRAM中，当DRAM存储空间不足时，优先将具有读特性的页面置换至NVM中存储；/nS3、采用蓄水池抽样算法对置换的页面即请求页面进行页面抽样，提取出样品，记录并确定样品位置；/nS4、选择NVM空闲页面链表中的部分空闲页面，根据请求页面记录的样品位置提取出NVM空闲页面的样品，并更新到NVM样品集；/nS5、计算请求页面样品和NVM样品集中样品的相似度，选择样品集中相似度最高的样品所代表的NVM的空闲页面，并将其分配给请求页面。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于异构混合内存系统的页面分配方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、根据异构混合内存系统页面的访问模式和存储特性，在页面分配过程中对页面进行分类存储；
S2、优先将所有页面都存放于DRAM中，当DRAM存储空间不足时，优先将具有读特性的页面置换至NVM中存储；
S3、采用蓄水池抽样算法对置换的页面即请求页面进行页面抽样，提取出样品，记录并确定样品位置；
S4、选择NVM空闲页面链表中的部分空闲页面，根据请求页面记录的样品位置提取出NVM空闲页面的样品，并更新到NVM样品集；
S5、计算请求页面样品和NVM样品集中样品的相似度，选择样品集中相似度最高的样品所代表的NVM的空闲页面，并将其分配给请求页面。


2.根据权利要求1所述的一种基于异构混合内存系统的页面分配方法，其特征在于，所述进行分类存储包括根据混合内存页面的活跃标识和读写标识，将页面划分为最近被读的页面、最近少量被写的页面以及最近频繁被写的页面三个分类类别；并在异构混合内存系统中采用二级页面链表进行维护。


3.根据权利要求2所述的一种基于异构混合内存系统的页面分配方法，其特征在于，所述二级页面链表包括第一级页面链表和第二级页面链表，所述第一级页面链表为采用LRU页面置换策略管理的链表，所述第二级页面链表包括与页面分类类别对应的最近读链表、最近少量写链表以及最近频繁写链表。


4.根据权利要求3所述的一种基于异构混合内存系统的页面分配方法，其特征在于，所述在异构混合内存系统中采用二级页面链表进行维护具体包括第一级页面链表采用LRU页面置换策略管理DRAM中的所有内存页面，若第一级链表空间不足，则将淘汰的页面保存到第二级页面链表中；第二级页面链表根据页面标识，分别将淘汰的页面存储在管理最近读链表、最近少量写链表以及最近频繁...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊安萍，白伟碧，龙林波，蒋溢，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：重庆;50