基于多粒度页面的混合内存管理调度策略研究

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随着数据密集型应用内存消耗逐渐增大,现有的动态随机存储器(Dynamic Random Access Memory, DRAM)作为计算机内存已经难以满足大容量、高密度以及低能耗等需求。新兴的非易失性内存技术(Non-Volatile Memory, NVM)具有大容量、高密度和低功耗等特点,可以与DRAM共同组成大容量的混合内存以满足应用需求。但由于当前NVM在读写性能上与DRAM尚存在差距,在大容量混合内存系统中,冷热数据需要在不同类型的内存间合理迁移才能达到最优的性能。同时,虚实地址转换开销在大容量混合内存系统中也日益突出。因此,如何高效的管理大容量混合内存是当前一大研究热点。
  论文提出了基于超级页和常规页相结合的多粒度页面的混合内存管理调度策略MGPM(Multi-Granularity Paging Management for NVM/DRAM hybrid memory)。MGPM使用了不同粒度的页面来管理NVM和DRAM内存,以常规页面粒度(4KB)管理DRAM,以超级页粒度管理NVM。基于超级页中热点数据分布的空间局部性,MGPM创新性地将超级页拆分成多个组(包含若干连续的常规页面),在超级页内部以组为基本粒度进行迁移调度,避免了以常规页面为单位的频繁迁移,节省了CPU周期和系统资源。同时,MGPM还根据当前DRAM缓存的利用率,采取迁移阈值动态调整策略,尽可能多的将数据放置在DRAM中,以充分利用了DRAM的性能和容量优势。此外,为了实现轻量级的热数据精确监测,MGPM提出了热度预测和精确计数相结合的两级热数据识别机制,在不增加过多片上空间开销的同时,实现了精确的热数据识别。为了减少地址转换开销,MGPM设计了组迁移映射表,在保持超级页连续性的同时加快了地址转换的速度。
  在ZSim与NVMain构成的全系统仿真平台上实现了MGPM混合内存管理调度策略并进行了测试验证。实验结果表明,与当前先进的支持超级页的混合内存系统Rainbow相比,MGPM的系统IPC平均提升了25.14%,能耗平均降低了41.8%。另外,MGPM在数据迁移时产生的数据流量、动态阈值调整策略的影响和空间开销方面也显示了一定的优势。
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