一種相變存儲(chǔ)系統(tǒng)損耗均衡方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于計(jì)算機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種相變存儲(chǔ)系統(tǒng)損耗均衡方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)中，處理器與存儲(chǔ)器是系統(tǒng)的兩大核心，在過(guò)去的幾十年時(shí)間 內(nèi)，處理器和存儲(chǔ)器都在不斷的發(fā)展更新。隨著處理器的處理速度越來(lái)越快，存儲(chǔ)器也在不 斷地發(fā)展，尤其是主存儲(chǔ)器的容量越來(lái)越大。
[0003] 動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（DRAM)是目前最普遍的主存系統(tǒng)的存儲(chǔ)技術(shù)，具有速度快及 可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，但由于是易失性存儲(chǔ)器，需要用電來(lái)維持存儲(chǔ)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)，使得它的靜 態(tài)功耗比較高。隨著存儲(chǔ)器的容量越來(lái)越大，存儲(chǔ)系統(tǒng)的靜態(tài)能耗在總存儲(chǔ)能耗的比重也 直線上升，存儲(chǔ)系統(tǒng)的能耗在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)總能耗中的占比也不斷攀升。例如，在服務(wù)器應(yīng)用 領(lǐng)域，主存系統(tǒng)的能耗大約占到系統(tǒng)能耗的40%。因此，具有高密度、低漏電功耗、長(zhǎng)壽命等 特性的存儲(chǔ)器一一相變存儲(chǔ)器（PRAM)得到了不少研宄者的關(guān)注。
[0004] 相變存儲(chǔ)器作為非易失存儲(chǔ)器，近年來(lái)成為了存儲(chǔ)器系統(tǒng)方面的研宄熱點(diǎn)，是取 代DRAM、FLASH、硬盤(pán)等存儲(chǔ)產(chǎn)品的最佳候選者。與DRAM相比，PRAM具有：1)良好的可擴(kuò)放 性；2)低漏電流功耗，降低了存儲(chǔ)系統(tǒng)的能耗；3)數(shù)倍于DRAM的存儲(chǔ)密度，大大縮小了存儲(chǔ) 系統(tǒng)的體積。因此，在當(dāng)今階段開(kāi)展對(duì)PRAM存儲(chǔ)器的研宄，促進(jìn)其早日替代DRAM作為計(jì)算 機(jī)主存儲(chǔ)器，是一件非常有意義的工作。
[0005] 相變存儲(chǔ)器PRAM因?yàn)榫哂心芎牡?、存?chǔ)密度高、非易失性等優(yōu)點(diǎn)，因而受到廣泛 的關(guān)注和研宄，但它同時(shí)存在以下兩點(diǎn)不足之處： 1)寫(xiě)操作代價(jià)高。當(dāng)PRAM發(fā)生讀操作時(shí)，只需在相變材料兩端施加適當(dāng)電壓，然后通 過(guò)測(cè)量電流即可讀取存儲(chǔ)單元內(nèi)的數(shù)據(jù)；當(dāng)PRAM發(fā)生寫(xiě)操作時(shí)，需要將PRAM存儲(chǔ)單元迅速 加熱到較高溫度，然后再進(jìn)行冷卻，使相變材料轉(zhuǎn)換為晶態(tài)或者非晶態(tài)，這一過(guò)程需要較大 的電流。所以PRAM的寫(xiě)操作與讀操作是極不對(duì)稱(chēng)的，其讀操作延時(shí)與DRAM在同一水平，功 耗比DRAM更占優(yōu)勢(shì)；但是寫(xiě)操作代價(jià)卻非常高，延時(shí)約為DRAM的6-10倍，功耗約為DRAM 的3-5倍。
[0006] 2)可寫(xiě)次數(shù)有限制。相變存儲(chǔ)器利用相變材料的相位變化來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，而相變材 料的相位變化是有次數(shù)限制的；也就是說(shuō)，當(dāng)變化次數(shù)超過(guò)它的極限的時(shí)候，該相變存儲(chǔ)器 就會(huì)失效。目前相變存儲(chǔ)器的耐寫(xiě)次數(shù)可以達(dá)到IO8-IO9次，但與DRAM和磁盤(pán)的10 15次相 比仍具有較大的差距。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明針對(duì)上述相變存儲(chǔ)器PRAM的不足，提出了一種相變存儲(chǔ)系統(tǒng)損耗均衡方 法，從而延長(zhǎng)相變存儲(chǔ)器的壽命。
[0008] 本發(fā)明解決技術(shù)問(wèn)題所采取的技術(shù)方案： 步驟1 :對(duì)當(dāng)前服務(wù)請(qǐng)求，讀取其地址映射表、預(yù)留段表以及寄存器值，從而獲得請(qǐng)求 的目標(biāo)邏輯段號(hào)LSN及對(duì)應(yīng)的物理段PSN。
[0009] 步驟2:判斷當(dāng)前的服務(wù)請(qǐng)求的類(lèi)型是讀請(qǐng)求還是寫(xiě)請(qǐng)求。若是讀請(qǐng)求，執(zhí)行步驟 3;反之執(zhí)行步驟4。
[0010] 步驟3 :直接讀取物理段PSN內(nèi)的數(shù)據(jù)，然后轉(zhuǎn)到步驟6。
[0011] 步驟4 :基于預(yù)留空間分配機(jī)制（RSA:ReservedSpaceAllocation)，重新確定將 要寫(xiě)入的物理段PSN。
[0012] 步驟5 :采用Shift-Flip-N-Write算法，將數(shù)據(jù)寫(xiě)入到正確的物理段PSN中。
[0013] 步驟6 :判斷是否服務(wù)完所有請(qǐng)求。若已經(jīng)服務(wù)完，執(zhí)行步驟7 ;反之執(zhí)行步驟1。
[0014] 步驟7:所有請(qǐng)求服務(wù)結(jié)束后，檢測(cè)預(yù)留段表中是否有無(wú)效段，當(dāng)檢測(cè)到預(yù)留段表 中有無(wú)效預(yù)留段時(shí)，則進(jìn)行預(yù)留段交換。
[0015] 進(jìn)一步地，如上所述步驟（4)的基于預(yù)留空間分配機(jī)制RSA，重新確定將要寫(xiě)入的 物理段PSN，具體包括以下步驟： 4-1.根據(jù)地址映射表，找到物理段PSN，讀取該物理段PSN的寫(xiě)操作次數(shù)segment_write_count(SWC)，若該寫(xiě)操作次數(shù)segment_write_count不超過(guò)閾值0 (下文對(duì)沒(méi)等 于1024進(jìn)行了測(cè)試，并且取得較好效果)，則將該數(shù)據(jù)寫(xiě)入到該物理段PSN，反之進(jìn)入步驟 4_2 〇
[0016] 4-2.當(dāng)該物理段PSN的寫(xiě)操作次數(shù)超過(guò)閾值〃，則地址映射表進(jìn)行地址重映射， 將該邏輯段重映射到預(yù)留池（ReservedSegmentPool，RSP)中空閑的預(yù)留段，原本的物理 段則為預(yù)留池中的無(wú)效段。
[0017] 進(jìn)一步地，如上所述的步驟（5)中Shift-Flip-N-Write算法，以8bit作為循環(huán) 移位的單位，且當(dāng)該存儲(chǔ)行的寫(xiě)入次數(shù)超過(guò)閾值0時(shí)，進(jìn)行移位。下文分別對(duì)0等于 64, 128, 256, 512, 1024進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，由實(shí)驗(yàn)可知，256, 512為較合適的寫(xiě)操作閾值。
[0018] 該算法需要額外的空間來(lái)保存三個(gè)數(shù)據(jù)：1)行寫(xiě)操作次數(shù)row_write_count，用 來(lái)記錄該存儲(chǔ)行發(fā)生寫(xiě)操作的次數(shù)；2)當(dāng)前的位移偏量offset，記錄當(dāng)前的偏移位，以便 下一次的讀出或?qū)懭耄?)翻轉(zhuǎn)位Flip，和Flip-N-Write-樣，需要記錄當(dāng)前的數(shù)據(jù)是否與 原數(shù)據(jù)相反。該算法具體包括以下幾個(gè)步驟： (1)首先讀出row_write_count和offset數(shù)據(jù)，若row_write_count小于 ，將row_write_count加 1，offset不變；若row_write_count大于等于 <}>，則將row_write_count 置 0,offset加 1。
[0019] (2)將要寫(xiě)入的新數(shù)據(jù)按照OffsetXSbit進(jìn)行移位，并且讀出該行的舊數(shù)據(jù)與 移位后的新數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，若新舊數(shù)據(jù)的海明距離大于N/2(N為存儲(chǔ)行的位寬，一般為 32, 64)，則將新數(shù)據(jù)取反，寫(xiě)入目標(biāo)行中，并且將Flip位置1;反之，則直接向新數(shù)據(jù)寫(xiě)入目 標(biāo)行，F(xiàn)lip位置0。
[0020] (3)寫(xiě)入時(shí)按位進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)該位的新數(shù)據(jù)與舊數(shù)據(jù)不一樣時(shí)，進(jìn)行該位的更新。 這樣，當(dāng)該數(shù)據(jù)寫(xiě)入目標(biāo)地址時(shí)，實(shí)際更新的比特?cái)?shù)將低于或等于N/2。
[0021] 進(jìn)一步地，如上所述的步驟（7)中的預(yù)留段交換，根據(jù)內(nèi)存控制器中保存的物理段 的寫(xiě)操作次數(shù)，找出存儲(chǔ)空間中的冷存儲(chǔ)段，將該冷存儲(chǔ)段上的數(shù)據(jù)寫(xiě)入到無(wú)效的預(yù)留段 中，并且更新地址映射表，寫(xiě)入時(shí)執(zhí)行Shift-Flip-N-Write算法，冷存儲(chǔ)段則作為預(yù)留段。
[0022]本發(fā)明有益效果如下： 本發(fā)明能夠均衡相變存儲(chǔ)器的寫(xiě)操作，從而延長(zhǎng)相變存儲(chǔ)器的使用壽命，保障存儲(chǔ)數(shù) 據(jù)的可靠性；同時(shí)，本發(fā)明在一定程度上降低了相變存儲(chǔ)器的寫(xiě)操作次數(shù)，從而降低相變存 儲(chǔ)器的能耗。
【附圖說(shuō)明】
[0023] 圖1是相變存儲(chǔ)系統(tǒng)寫(xiě)均衡流程圖； 圖2是段損耗均衡操作過(guò)程； 圖3是存儲(chǔ)行循環(huán)位移裝置； 圖4是段交換； 圖5是更新后的映射表和預(yù)留段池； 圖6 (a)是存儲(chǔ)行最高寫(xiě)次數(shù)； 圖6 (b)是存儲(chǔ)行最高寫(xiě)次數(shù)； 圖6 (c)是存儲(chǔ)行最高寫(xiě)次數(shù)； 圖6 (d)是存儲(chǔ)行最高寫(xiě)次數(shù)； 圖6 (e)是存儲(chǔ)行最高寫(xiě)次數(shù)； 圖7是存儲(chǔ)行的寫(xiě)操作總數(shù)； 圖8是存儲(chǔ)段的最高寫(xiě)次數(shù)。
【具體實(shí)施方式】
[0024] 以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0025] -種相變存儲(chǔ)系統(tǒng)損耗均衡方法，包含存儲(chǔ)段寫(xiě)均衡和存儲(chǔ)行寫(xiě)均衡兩個(gè)方面， 完整的實(shí)施方法如圖1所示，包括以下步驟： 步驟1.對(duì)當(dāng)前服務(wù)請(qǐng)求，讀取地址映射表、預(yù)