一種基于軟件編譯層的可變電阻式存儲器磨損均衡方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于計算機存儲技術領域，具體涉及一種可變電阻式存儲器的磨損均衡方 法。
【背景技術】
[0002] 通用的DRAM存儲器受限于能耗大、容量難擴展等問題。一種新型能耗低、容量 大、非易失性的存儲器有望替代傳統(tǒng)的DRAM存儲器，如：記憶組存儲器、可變電阻式存儲器 (PCM)。特別的是，可變電阻式存儲器PCM可以實現(xiàn)多層單元（Multi-Level Cell，MLC)，也 就是一個單元可以存放兩個或兩個以上的比特。與單層單元（Single-Level Cell，SLC)相 比，MLC可得到較高密集性和較大的容量。然而，這個優(yōu)勢也導致相應的代價，由于需要更 精密的感應和控制PCM單元的電阻，增加了相應的訪問延遲以及減少了壽命。
[0003] 一般情況下，一個典型SLC PCM單元能容忍大約IO7-IO8次寫操作，一個典型的MLC PCM單元僅能容忍IO5次寫操作。MLC PCM單元的壽命給可變電阻式存儲器帶來了巨大的 挑戰(zhàn)。由于典型的嵌入式程序的寫操作，常常以一種極不平衡的方式寫到內(nèi)存上，例如：大 部分寫操作集中在少量的變量。寫操作頻繁的變量，對存放該變量的位置磨損大，頻繁地對 該位置擦寫，加速了可變電阻式儲的MLC PCM單元磨損。若不進行合理管理，可變電阻式存 儲器可能會在幾十秒內(nèi)被損壞。為了延長可變電阻式存儲器的壽命，許多技術被提出來，例 如：
[0004] 現(xiàn)有技術之 一 ：Μ· K. Qureshi, Μ. M. Franceschini, L. A. Lastras-Montano, and J. P. Karidis, "Morphable memory system:a robust architecture for exploiting multi-level phase change memories, '，in Proceedings ofthe 37th International Symposium on Computer Architecture (ISCAi 10),vol.38,pp. 153 - 162,2010. (M.K.Qureshi，M.M. Franceschini，L. A. Lastras-Montano，和 J.P. Karidis，"可變內(nèi)存 系統(tǒng)：一個基于多層相變存儲器的健壯架構(gòu)"，第37屆計算機體系結(jié)構(gòu)上國際研討會議 (ISCA)，2010)，它根據(jù)工作量負荷請求，動態(tài)地控制內(nèi)存系統(tǒng)每個單元存放比特的數(shù)目。具 體方法是把內(nèi)存分為兩個區(qū)域，一個高密度高延遲的區(qū)域（HDPCM)，由MLC模式的內(nèi)存頁構(gòu) 成；一個是低延遲低密度的區(qū)域（LLPCM)，每個單元的存放比特數(shù)是HDPCM區(qū)域每個單元存 放比特數(shù)的一半。在硬件層添加一個內(nèi)存監(jiān)控電路（Memory Monitoring circuit, ΜΜ0Ν) 來跟蹤工作負載的內(nèi)存需求。周期性的執(zhí)行MMON跟蹤信息，根據(jù)信息，進行評估并確定 LLPCM和HDPCM區(qū)域的最佳劃分。如果訪問發(fā)生在HDPCM區(qū)域的頁面，這樣的頁面將被升 級到LLCPM區(qū)域，來減少后續(xù)訪問的延遲。允許自動地在LLPCM和HDPCM區(qū)域之間轉(zhuǎn)換， 提供低延遲LLPCM區(qū)域給頻繁訪問的頁?，F(xiàn)有技術一有以下幾個缺點：需要在硬件上的支 持。該技術需要內(nèi)存監(jiān)控電路來周期性跟蹤信息，和單獨的硬件架構(gòu)來記錄內(nèi)存頁的物理 位置；周期性監(jiān)控內(nèi)存負責量，進行調(diào)節(jié)，開銷大。
[0005] 現(xiàn)有技術之二：R. Zhou and T. Li, "Leveraging phase change memory to achieve efficient virtual machine execution,'，in Proceedings ofACM SIGPLAN/ SIGOPS International Conference on Virtual Execution Environments (VEEi 13), pp. 179 - 190, 2013. (R. Zhou和李濤，"利用相變內(nèi)存來實現(xiàn)高效的虛擬機執(zhí)行"，虛擬執(zhí)行 環(huán)境上的ACM SIGPLAN/SIGOPS國際會議（VEE' 13)，2013)，它的內(nèi)存頁管理包含信息收集 器和負載平衡器，定制了之前的內(nèi)存缺頁錯誤監(jiān)控方法。把缺頁錯誤分為了 SLC缺頁錯誤 和MLC缺頁錯誤。信息收集器用這兩種類型的缺頁錯誤來收集內(nèi)存位置的統(tǒng)計信息。僅當 MLC缺頁錯誤會觸發(fā)負載平衡器，來調(diào)節(jié)SLC和MLC內(nèi)存頁的數(shù)目、每個虛擬機中的balloon driver大小。運用了采樣算法來周期性跟蹤內(nèi)存缺頁信息。根據(jù)虛擬內(nèi)存頁使用的LRU直 方圖，來計算每個虛擬機的缺頁曲線。根據(jù)缺頁曲線，針對不同虛擬機建立相應的SLC、MLC 的效益函數(shù)。當增減一頁SLC、MLC內(nèi)存頁，都會帶來相應的效益改變。根據(jù)效益增減的大 小對比，來確定是否增加 MLC和SLC?，F(xiàn)有技術二的缺點：監(jiān)控內(nèi)存缺頁情況，來計算相應 的效益函數(shù)值，不可避免，會導致不小的開銷；僅根據(jù)內(nèi)存缺頁，來調(diào)控MLC和SLC的轉(zhuǎn)換。 這些現(xiàn)有技術存在巨大的寫開銷和運行開銷，并且大多都需要硬件和操作系統(tǒng)的支持，從 而限制了可變電阻式存儲器在嵌入式系統(tǒng)上的實際應用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明所要解決的技術問題是從軟件編譯器的層面，根據(jù) 訪問模式，提供一種基于軟件編譯層的可變電阻式存儲器磨損均衡方法，它能有效的改善 可變電阻式存儲器在嵌入式系統(tǒng)中的使用壽命，并且具有很低的時間和存儲開銷，不需要 任何硬件支持。
[0007] 本發(fā)明所要解決的技術問題是通過這樣的技術方案實現(xiàn)的，它包括以下步驟：
[0008] 步驟1、根據(jù)程序的特征，將程序劃分為多個程序區(qū)域，并統(tǒng)計出各個變量的寫操 作次數(shù)和變量的大小；
[0009] 步驟2、根據(jù)內(nèi)存未被占用的空間大小，動態(tài)地配置可變電阻式存儲器單層單元和 多層單元的大??；
[0010] 步驟3、為各個變量分配合適的地址，為寫頻繁的變量分配高性能和壽命長的 SLC，為寫不頻繁的變量分配容量大的MLC ;
[0011] 步驟4、把編譯好的程序，在嵌入式系統(tǒng)上執(zhí)行，以獲得可變電阻式存儲器上的磨 損均衡。
[0012] 由于本方法發(fā)明結(jié)合了可變電阻式存儲器SLC和MLC的優(yōu)勢來平衡寫分布；并且 本方法在編譯時間完成，具有很低的執(zhí)行時間和存儲開銷；因為不需要操作系統(tǒng)或硬件的 支持，所以沒有硬件開銷。又因為現(xiàn)有技術針對內(nèi)存頁進行分配，而本發(fā)明針對變量進行分 配，具有更好的細粒度性，所以能獲得更好的磨損均衡。
[0013] 與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下技術效果：磨損均衡性更好，進一步提高了可變 電阻式存儲器的使用壽命；僅需很低的執(zhí)行時間和存儲開銷，沒有硬件開銷。
【附圖說明】
[0014] 本發(fā)明的【附圖說明】如下：
[0015] 圖1為本發(fā)明中程序劃分為程序區(qū)域的示意圖；
[0016] 圖2為本發(fā)明的可變電阻式存儲器空間劃分流程圖；
[0017] 圖3本發(fā)明的數(shù)據(jù)分配流程圖。
【具體實施方式】
[0018] 下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明：
[0019] 本發(fā)明包括以下步驟：
[0020] 步驟1、根據(jù)程序的特征，將程序劃分為多個程序區(qū)域，并統(tǒng)計出各個變量的寫操 作次數(shù)和變量的大小；
[0021] 步驟2、根據(jù)內(nèi)存未被占用的空間大小，動態(tài)地配置可變電阻式存儲器單層單元和 多層單元的大?。?br>[0022] 步驟3、為各個變量分配合適的地址，為寫頻繁的變量分配高性能和壽命長的 SLC，為寫不頻繁的變量分配容量大的MLC，從而減少可變程序的訪問延遲，并改善可變電阻 式存儲器壽命；
[0023] 步驟4、把編譯好的程序，在嵌入式系統(tǒng)上執(zhí)行，以獲得可變電阻式存儲器上的磨 損均衡。
[0024] 如圖1所示，程序可以劃分為多個程序區(qū)域。程序區(qū)域劃分可根據(jù)程序點：1)每 個內(nèi)部程序的開始與結(jié)尾；2)每個循環(huán)的開始與結(jié)尾。然后，根據(jù)劃分的程序區(qū)域，采用程 序的靜態(tài)分析技術（profiling),統(tǒng)計每個程序區(qū)域里靜態(tài)變量和局部變量的大小，并記 錄每個變量的寫操作次數(shù)。參考文獻如下：
[0025] J. Hu, Q. Zhuge, C. J. Xue, ff. -C. Tseng, and E. H. -M. Sha, aLow Overhead Software Wear Leveling for Hybrid PCM+DRAM Main Memory on Embedded Systems, '，IEEE Transation