学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

基于程序访存模式的存储系统节能技术研究

作　者: 章铁飞
导　师: 陈天洲
学　校: 浙江大学
专　业: 计算机科学与技术
关键词: 节能缓存主存非易失性存储器程序访存行为调度混合内存
分类号: TP333
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
下　载: 20次
引　用: 0次
阅　读: 论文下载

内容摘要

半导体技术的进步和应用对计算能力的需求推动着计算机体系结构的发展。计算机系统计算的数据和指令皆来自于存储系统,存储系统在计算性能中扮演了极其重要的角色。作为对不断提升的计算能力的配合和支持,现有的存储层次系统,无论是片上缓存还是片外内存,其组织结构变得越来越复杂,其容量也变得越来越大。导致的结果是存储层次系统的能耗在整个计算机系统中所占的份额也越来越大。能耗问题会成为目前计算机系统设计中的关键因素。因此如河降低存储层次的功耗,尤其是片上缓存和片外内存的能耗,成为研究者普遍关心的一个重要问题。目前存储系统低功耗研究主要焦点在缓存和内存,因为两者能耗在整个存储层次系统中最显著。当前的内存节能技术为充分发挥器件自带的硬件节能支持,包括内存分块和低功耗状态两种技术,通过软硬件结合的技术节能。另外,新型非易失性存储器由于其静态能耗低、密度大等特点,被考虑作为低功耗存储系统的实现。例如现有的PCM/DRAM混合内存系统就是整合两种器件优点的设计,以及基于STT-RAM的非易失性缓存。上述技术都关注于器件能力的挖掘,而忽视了器件对程序行为的适配,因此不能完美发挥软硬件协同的优势。本文从程序访存行为入手,分析了访存模式的三方面因素：应用程序对内存块的访问行为、应用程序对缓存块的写行为以及应用程序中物理页的写行为。基于这些访存模式,结合现有的存储低功耗技术,本文提出了基于程序访存模式的存储系统节能技术,主要从以下三个方面进行了研究：1、本文通过追踪程序访问的物理贞的地址,建立了程序数据到内存分块的映射模型；基于该模型,本文抽象出程序执行顺序对于内存块节能的问题,并且采用网络流技术对该问题进行解答；进一步考察了多核上来自不同处理器的程序运行对内存块节能的影响,对该问题进行抽象建模；对于双核系统,本文提出该问题的最优算法解；当其中的处理器数目超过两个时,该问题属于NP难问题,本文提出两个相应的启发式算法。2、本文研究了程序对缓存的写访问,发现对缓存块的写操作具有集中性；基于该模式,本文提出了选择性的写前读机制,对缓存中的脏字数据进行追踪和标示,利用这些标示信息在缓存块写回操作时只对缓存块中的脏区域触发写前读操作；对于多级STT-RAM缓存写能耗更大的特点,本文研究了数据在多级STT-RAM缓存本地进行写更新以及在SRAM中进行写更新的能耗的差别,提出了伴随写缓存结构和对应的机制,将能耗高的写更新操作迁移到伴随写缓存中,从而达到节能目的。3、本文研究了程序对物理页的写访问,发现对物理页的两种基本写模式；基于上述写模式,本文提出了具有可变迁移粒度的自适应数据迁移策略,可以识别出当前物理页的写模式,并且采用适合当前物理页的迁移粒度将PCM中的数据迁移至DRAM,减小迁移代价的同时,发挥DRAM写能耗低的特点；在上述的混合内存管理机制下,本文还提出了一种局部刷新的策略,其基本思想是利用迁移模块中的相关信息,对DRAM中的每个数据刷新单元中的数据有效性作标示,从而只对其中的有效数据进行刷新操作,降低数据刷新能耗。最后,本文基于实际的硬件平台PandaBoard和全系统模拟器gem5以及其他的工具如SESC和CACTI,采用实际测量和软件模拟相结合的实验方法,对上述提出的创新和技术进行了实验验证和测试。实验结果表明本文中提出的机制和结构可以比现有的技术进一步降低缓存和内存的写能耗和静态能耗。本文通过对程序访存模式,具体包括应用程序对内存块的访问行为、应用程序对缓存块的写行为以及应用程序中物理页的写行为的研究,结合现有存储器件的节能硬件支持,实现了访存模式指导下对现有存储器件节能潜力的再挖掘,实验结果证实结合软件访存模式的存储节能技术有很好的节能效果。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-15
第1章绪论  15-26
  1.1 课题背景  15-20
    1.1.1 存储系统的发展  15-16
    1.1.2 存储层次的能耗问题  16-18
    1.1.3 存储系统节能技术  18-20
  1.2 本文的研究动机  20-22
  1.3 本文的主要工作  22-24
  1.4 本文的组织结构  24
  1.5 本章小结  24-26
第2章存储系统节能技术综述  26-42
  2.1 内存节能技术综述  26-29
    2.1.1 传统内存器件和组成  26-27
    2.1.2 传统DRAM内存的节能技术  27-29
  2.2 非易失性缓存节能技术综述  29-35
    2.2.1 单级STT-RAM的结构和相关研究  29-31
    2.2.2 针对单级STT-RAM缓存节能的相关研究  31-32
    2.2.3 多级STT-RAM的结构和属性  32-34
    2.2.4 针对多级STT-RAM缓存节能的相关研究  34-35
  2.3 混合内存节能技术综述  35-39
    2.3.1 PCM的属性与相关节能技术  35-38
    2.3.2 关于PCM/DRAM混合内存研究  38-39
  2.4 利用程序访存模式的相关研究  39-40
  2.5 目前研究存在的问题  40-41
  2.6 本章小结  41-42
第3章基于程序访存模式的存储系统节能技术研究框架  42-52
  3.1 程序访存模式的内涵  42-44
  3.2 程序访存模式对存储节能的意义  44-45
  3.3 本文的研究框架  45-47
  3.4 研究内容概述  47-50
    3.4.1 基于任务调度的内存节能技术  47-48
    3.4.2 基于写访问模式的非易失性缓存节能技术  48-49
    3.4.3 基于数据写模式的混合内存节能技术  49-50
  3.5 本章小结  50-52
第4章基于任务调度内存节能技术  52-68
  4.1 基于任务访问的内存能耗问题定义  52-55
    4.1.1 面向任务执行顺序的内存能耗问题定义  52-53
    4.1.2 多核下的内存能耗问题定义  53-55
  4.2 基于任务运行顺序的内存节能算法  55-60
    4.2.1 基于匹配图的问题转换  55-57
    4.2.2 基于网络流技术的问题求解  57-60
  4.3 基于多核下任务调度的内存节能算法  60-67
    4.3.1 基于完全图模型的问题重定义及优化算法  60-63
    4.3.2 问题的NP hard证明  63-64
    4.3.3 启发式算法  64-67
  4.4 本章小结  67-68
第5章写模式驱动的非易失性缓存节能技术  68-86
  5.1 缓存的写模式和多级STT-RAM读写操作  68-70
    5.1.1 缓存数据写模式  68-69
    5.1.2 多级STT-RAM器件写特性  69-70
  5.2 基于STT-RAM缓存的选择性写前读策略  70-78
    5.2.1 选择性写前读策略的总体设计  70-72
    5.2.2 选择性写前读的实现与优化技术  72-76
    5.2.3 选择性写前读策略下的能耗模型  76-78
  5.3 多级STT-RAM下的伴随写缓存设计  78-84
    5.3.1 多级STT-RAM下的伴随写缓存的总体设计  78-80
    5.3.2 伴随写缓存的设计细节  80-83
    5.3.3 伴随写缓存的性能和能耗建模  83-84
  5.4 本章小结  84-86
第6章基于物理页写模式的混合内存节能技术  86-99
  6.1 程序物理页的写模式和数据刷新建模  86-88
    6.1.1 程序的物理页写模式  86-88
    6.1.2 混合内存下的数据刷新建模  88
  6.2 混合内存下的自适应迁移策略  88-93
    6.2.1 自适应迁移策略的总体设计  88-89
    6.2.2 数据页写追踪表的设计  89-91
    6.2.3 自适应迁移的策略设计  91-92
    6.2.4 DRAM和PCM的能耗模型  92-93
  6.3 混合内存下的局部数据刷新策略  93-97
    6.3.1 局部数据刷新策略的总体设计  93-94
    6.3.2 局部刷新策略的设计细节  94-97
    6.3.3 数据刷新过程的能耗建模  97
  6.4 本章小结  97-99
第7章实验结果与分析  99-126
  7.1 实验内容  99
  7.2 实验平台  99-101
  7.3 基于任务调度的内存节能的实验和分析  101-110
    7.3.1 内存节能最优化的调度算法实验  101-105
    7.3.2 基于多核下任务调度的内存节能技术验证  105-110
  7.4 非易失性缓存下的节能技术实验和验证  110-119
    7.4.1 对选择写前读策略的评估  111-115
    7.4.2 CWC伴随写缓存设计的实验评估  115-119
  7.5 基于数据页写模式的混合内存节能技术评估  119-125
    7.5.1 自适应迁移策略的实验验证  119-122
    7.5.2 混合内存局部刷新策略的验证  122-125
  7.6 本章小结  125-126
第8章总结和展望  126-129
  8.1 总结  126-127
  8.2 展望  127-129
参考文献  129-146
攻读博士学位期间主要的研究成果  146-147
致谢  147

基于程序访存模式的存储系统节能技术研究

内容摘要

全文目录

相似论文