專利名稱：一種基于相變內(nèi)存的讀寫區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)替換方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于相變內(nèi)存的讀寫區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)替換方法，屬于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著計(jì)算機(jī)系統(tǒng)并發(fā)處理任務(wù)數(shù)增加，內(nèi)存所要支持的工作集越來越大。另一方面，許多應(yīng)用領(lǐng)域計(jì)算量巨大，也加劇了“存儲(chǔ)墻”問題的凸顯?，F(xiàn)有內(nèi)存主要是由動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(DRAM)構(gòu)建，隨著系統(tǒng)規(guī)模的增大，功耗和成本上的問題日益嚴(yán)重。研制高速、大存儲(chǔ)容量、低成本和低功耗的新型存儲(chǔ)系統(tǒng)已成為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要挑戰(zhàn)。新興存儲(chǔ)技術(shù)有磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器(Magnetic RAM，以下簡(jiǎn)稱MRAM)、相變內(nèi)存 (PhaseChange Memory，簡(jiǎn)稱PRAM或者PCM)和閃存(Flash)。其中相變內(nèi)存因?yàn)槊芏却?、非易失、訪問速度快等優(yōu)點(diǎn)而成為最有前景的存儲(chǔ)技術(shù)。相變內(nèi)存讀寫速度比Flash快，擦寫次數(shù)也比Flash多，非常適合于作磁盤緩存。當(dāng)前大多數(shù)方案都是采用相變內(nèi)存作主存，可以獲得更好的性能。但是與DRAM相比，相變內(nèi)存有讀寫速度慢、寫操作能耗高和擦寫次數(shù)受限的問題。為了解決相變內(nèi)存讀寫速度慢的問題，可以用一塊小容量的DRAM作為相變內(nèi)存的緩沖器。但是相變內(nèi)存作為非易失性存儲(chǔ)，其擦寫次數(shù)受限是最致命的問題，也是學(xué)業(yè)界和工業(yè)界的正在解決的重要問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種基于相變內(nèi)存的讀寫區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)替換方法，在保證存儲(chǔ)器性能的前提下，減少到達(dá)相變內(nèi)存的寫數(shù)據(jù)操作數(shù)目，有效延長(zhǎng)相變內(nèi)存使用壽命。本發(fā)明提出的基于相變內(nèi)存的讀寫區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)替換方法，有兩種不同的操作過程，第一種是當(dāng)計(jì)算機(jī)緩存區(qū)中每個(gè)緩存塊有一個(gè)2位寬的標(biāo)記值時(shí)，該方法包括以下步驟(1-1)定義計(jì)算機(jī)緩存區(qū)中每個(gè)位寬為2的緩存塊的標(biāo)記值為重新訪問距離預(yù)測(cè)值，重新訪問距離預(yù)測(cè)值為0、1、2或3中的任何一個(gè)；(1-2)當(dāng)一個(gè)新數(shù)據(jù)塊插入計(jì)算機(jī)緩存區(qū)中對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)行時(shí)，若該新數(shù)據(jù)塊是讀訪問數(shù)據(jù)，則將新數(shù)據(jù)塊的重新訪問距離預(yù)測(cè)值設(shè)置為3 ；若該新數(shù)據(jù)塊是寫訪問數(shù)據(jù)，則將新數(shù)據(jù)塊的重新訪問距離預(yù)測(cè)值設(shè)置為2 ；(1-3)當(dāng)緩存區(qū)中的一個(gè)數(shù)據(jù)塊被訪問命中時(shí)，若是讀訪問命中，則將該數(shù)據(jù)塊的重新訪問距離預(yù)測(cè)值設(shè)置為1 ；若是寫訪問命中，則將該數(shù)據(jù)塊的重新訪問距離預(yù)測(cè)值設(shè)置為0;(1-4)當(dāng)緩存區(qū)中不存在被訪問數(shù)據(jù)塊，且緩存區(qū)中與訪問地址相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)行中不存在空閑數(shù)據(jù)塊時(shí)，則進(jìn)行數(shù)據(jù)塊替換操作，替換操作的過程為在與數(shù)據(jù)塊地址相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)行中，從左向右進(jìn)行查找，若數(shù)據(jù)行中存在一個(gè)重新訪問距離預(yù)測(cè)值是3的數(shù)據(jù)塊，則將這個(gè)數(shù)據(jù)塊替換出去；若數(shù)據(jù)行中不存在重新訪問
3距離預(yù)測(cè)值是3的數(shù)據(jù)塊，則將數(shù)據(jù)行中所有數(shù)據(jù)塊的標(biāo)記值在原來值上加1，直到出現(xiàn)重新訪問距離預(yù)測(cè)值為3的數(shù)據(jù)塊，再在數(shù)據(jù)行中從左向右選擇重新訪問距離預(yù)測(cè)值為3的數(shù)據(jù)塊替換出去。第二種是當(dāng)計(jì)算機(jī)緩存區(qū)中每個(gè)緩存塊有一個(gè)3位寬的標(biāo)記值時(shí)，該方法包括以下步驟(2-1)定義計(jì)算機(jī)緩存區(qū)中每個(gè)位寬為3的緩存塊的標(biāo)記值為重新訪問距離預(yù)測(cè)值，重新訪問距離預(yù)測(cè)值為0、1、2、3、4、5、6或7中的任何一個(gè)；(2-2)當(dāng)一個(gè)新數(shù)據(jù)塊插入計(jì)算機(jī)緩存區(qū)中對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)行時(shí)，若該新數(shù)據(jù)塊是讀訪問數(shù)據(jù)，則將新數(shù)據(jù)塊的重新訪問距離預(yù)測(cè)值設(shè)置為6 ；若該新數(shù)據(jù)塊是寫訪問數(shù)據(jù)，則將新數(shù)據(jù)塊的重新訪問距離預(yù)測(cè)值設(shè)置為5 ；(2-3)當(dāng)緩存區(qū)中的一個(gè)數(shù)據(jù)塊被訪問命中時(shí)，若是讀訪問命中，則將該數(shù)據(jù)塊的重新訪問距離預(yù)測(cè)值設(shè)置為3 ；若是寫訪問命中，則將該數(shù)據(jù)塊的重新訪問距離預(yù)測(cè)值設(shè)置為0;(2-4)當(dāng)緩存區(qū)中不存在被訪問數(shù)據(jù)塊，且緩存區(qū)中與訪問地址相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)行中不存在空閑數(shù)據(jù)塊時(shí)，則進(jìn)行數(shù)據(jù)塊替換操作，替換操作的過程為在與數(shù)據(jù)塊地址相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)行中，從左向右進(jìn)行查找，若數(shù)據(jù)行中存在一個(gè)重新訪問距離預(yù)測(cè)值是7的數(shù)據(jù)塊，則將這個(gè)數(shù)據(jù)塊替換出去；若數(shù)據(jù)行中不存在重新訪問距離預(yù)測(cè)值是7的數(shù)據(jù)塊，則將數(shù)據(jù)行中所有數(shù)據(jù)塊的標(biāo)記值在原來值上加1，直到出現(xiàn)重新訪問距離預(yù)測(cè)值為7的數(shù)據(jù)塊，再在數(shù)據(jù)行中從左向右選擇重新訪問距離預(yù)測(cè)值為7的數(shù)據(jù)塊替換出去。本發(fā)明提出的基于相變內(nèi)存的讀寫區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)替換方法，其優(yōu)點(diǎn)是，應(yīng)用于相變內(nèi)存上一級(jí)存儲(chǔ)層次，有效減少了對(duì)相變內(nèi)存的寫操作，因此可以在不影響整體性能前提下減少寫相變內(nèi)存的次數(shù)，有效的延長(zhǎng)相變主存的使用壽命。本發(fā)明方法具有代價(jià)小，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。


圖1是本發(fā)明方法的流程示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提出的基于相變內(nèi)存的讀寫區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)替換方法，有兩種不同的操作過程，第一種是當(dāng)計(jì)算機(jī)緩存區(qū)中每個(gè)緩存塊有一個(gè)2位寬的標(biāo)記值時(shí)，該方法包括以下步驟(1-1)定義計(jì)算機(jī)緩存區(qū)中每個(gè)位寬為2的緩存塊的標(biāo)記值為重新訪問距離預(yù)測(cè)值，重新訪問距離預(yù)測(cè)值為0、1、2或3中的任何一個(gè)；每個(gè)數(shù)據(jù)塊通過其地址映射，對(duì)應(yīng)緩存區(qū)中的一個(gè)數(shù)據(jù)行，一個(gè)數(shù)據(jù)行包含N個(gè)數(shù)據(jù)塊，N取決于緩存區(qū)的組相連數(shù)目。數(shù)據(jù)塊的查找，插入，更新，替換等都在其地址對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)行中進(jìn)行。(1-2)當(dāng)一個(gè)新數(shù)據(jù)塊插入計(jì)算機(jī)緩存區(qū)中對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)行時(shí)，若該新數(shù)據(jù)塊是讀訪問數(shù)據(jù)，則將新數(shù)據(jù)塊的重新訪問距離預(yù)測(cè)值設(shè)置為3 ；若該新數(shù)據(jù)塊是寫訪問數(shù)據(jù)，則將新數(shù)據(jù)塊的重新訪問距離預(yù)測(cè)值設(shè)置為2。
(1-3)當(dāng)緩存區(qū)中的一個(gè)數(shù)據(jù)塊被訪問命中時(shí)，若是讀訪問命中，則將該數(shù)據(jù)塊的重新訪問距離預(yù)測(cè)值設(shè)置為1 ；若是寫訪問命中，則將該數(shù)據(jù)塊的重新訪問距離預(yù)測(cè)值設(shè)置為0。(1-4)當(dāng)緩存區(qū)中不存在被訪問數(shù)據(jù)塊，且緩存區(qū)中與訪問地址相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)行中不存在空閑數(shù)據(jù)塊時(shí)，則進(jìn)行數(shù)據(jù)塊替換操作。該訪問地址是被訪問的數(shù)據(jù)塊的地址。訪問一個(gè)數(shù)據(jù)塊，都是通過地址來進(jìn)行查找，因此無論其在不在緩存區(qū)中，都是有地址的。每個(gè)數(shù)據(jù)塊，無論其在不在緩存區(qū)中，通過其地址做映射，都能找到所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)行。數(shù)據(jù)的替換發(fā)生在其對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)行中。數(shù)據(jù)替換操作的過程為在與數(shù)據(jù)塊地址相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)行中，從左向右進(jìn)行查找，若數(shù)據(jù)行中存在一個(gè)重新訪問距離預(yù)測(cè)值是3的數(shù)據(jù)塊，則將這個(gè)數(shù)據(jù)塊替換出去；若數(shù)據(jù)行中不存在重新訪問距離預(yù)測(cè)值是3的數(shù)據(jù)塊，則將數(shù)據(jù)行中所有數(shù)據(jù)塊的標(biāo)記值在原來值上加1，直到出現(xiàn)重新訪問距離預(yù)測(cè)值為3的數(shù)據(jù)塊，再在數(shù)據(jù)行中從左向右選擇重新訪問距離預(yù)測(cè)值為3的數(shù)據(jù)塊替換出去。本發(fā)明方法的第二種操作過程是當(dāng)計(jì)算機(jī)緩存區(qū)中每個(gè)緩存塊有一個(gè)3位寬的標(biāo)記值時(shí)，該方法包括以下步驟(2-1)定義計(jì)算機(jī)緩存區(qū)中每個(gè)位寬為3的緩存塊的標(biāo)記值為重新訪問距離預(yù)測(cè)值，重新訪問距離預(yù)測(cè)值為0、1、2、3、4、5、6或7中的任何一個(gè)；(2-2)當(dāng)一個(gè)新數(shù)據(jù)塊插入計(jì)算機(jī)緩存區(qū)中對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)行時(shí)，若該新數(shù)據(jù)塊是讀訪問數(shù)據(jù)，則將新數(shù)據(jù)塊的重新訪問距離預(yù)測(cè)值設(shè)置為6 ；若該新數(shù)據(jù)塊是寫訪問數(shù)據(jù)，則將新數(shù)據(jù)塊的重新訪問距離預(yù)測(cè)值設(shè)置為5 ；(2-3)當(dāng)緩存區(qū)中的一個(gè)數(shù)據(jù)塊被訪問命中時(shí)，若是讀訪問命中，則將該數(shù)據(jù)塊的重新訪問距離預(yù)測(cè)值設(shè)置為3 ；若是寫訪問命中，則將該數(shù)據(jù)塊的重新訪問距離預(yù)測(cè)值設(shè)置為0;(2-4)當(dāng)緩存區(qū)中不存在被訪問數(shù)據(jù)塊，且緩存區(qū)中與訪問地址相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)行中不存在空閑數(shù)據(jù)塊時(shí)，則進(jìn)行數(shù)據(jù)塊替換操作，替換操作的過程為在與數(shù)據(jù)塊地址相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)行中，從左向右進(jìn)行查找，若數(shù)據(jù)行中存在一個(gè)重新訪問距離預(yù)測(cè)值是7的數(shù)據(jù)塊，則將這個(gè)數(shù)據(jù)塊替換出去；若數(shù)據(jù)行中不存在重新訪問距離預(yù)測(cè)值是7的數(shù)據(jù)塊，則將數(shù)據(jù)行中所有數(shù)據(jù)塊的標(biāo)記值在原來值上加1，直到出現(xiàn)重新訪問距離預(yù)測(cè)值為7的數(shù)據(jù)塊，再在數(shù)據(jù)行中從左向右選擇重新訪問距離預(yù)測(cè)值為7的數(shù)據(jù)塊替換出去。圖1是本發(fā)明方法的流程示意圖，即當(dāng)每個(gè)數(shù)據(jù)塊有一個(gè)2位寬的標(biāo)記值時(shí)，讀寫區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)替換方法的示例。示例中數(shù)據(jù)緩沖區(qū)為4路組相連，即每個(gè)數(shù)據(jù)行包含4個(gè)數(shù)據(jù)塊。第一列表示訪問序列。首先讀地址a3，讀訪問缺失，數(shù)據(jù)行中有空閑塊，則將a3插入空閑塊，同時(shí)將其重新訪問距離預(yù)測(cè)值設(shè)為3。接下來寫地址a4，寫訪問缺失，數(shù)據(jù)行中有空閑塊，則將a4插入空閑塊，同時(shí)將其重新訪問距離預(yù)測(cè)值設(shè)為2。讀地址a5，讀訪問缺失，從左向右尋找重新訪問距離值為3的數(shù)據(jù)塊替換，則a5替換a3，a5重新訪問距離預(yù)測(cè)值設(shè)為3。寫地址a6，寫訪問缺失，則從左向右尋找重新訪問距離為3的數(shù)據(jù)塊替換。由于不存在這樣的數(shù)據(jù)塊，則將所有數(shù)據(jù)塊的重新訪問距離預(yù)測(cè)值加1，則a2的重新訪問距離預(yù)測(cè)值為3，a6替換a2，a6重新訪問距離預(yù)測(cè)值設(shè)為2。再次寫地址a6，a6重新訪問距離預(yù)測(cè)值設(shè)為0。讀a4，讀訪問命中，a4重新訪問距離預(yù)測(cè)值設(shè)為1。
本發(fā)明提出的一種基于相變內(nèi)存的讀寫區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)替換方法，可應(yīng)用于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中相變內(nèi)存的上一級(jí)存儲(chǔ)層次。如存儲(chǔ)層次是(片上Ll緩存，片上L2緩存，相變內(nèi)存，……)，則發(fā)明可以應(yīng)用于片上L2緩存層次。如存儲(chǔ)層次是(片上Ll緩存，片上L2緩存，DRAM，相變內(nèi)存，……)，則替換算法可以應(yīng)用于DRAM層次，也可以同時(shí)應(yīng)用于片上L2 緩存和DRAM層次。
權(quán)利要求
1.一種基于相變內(nèi)存的讀寫區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)替換方法，當(dāng)計(jì)算機(jī)緩存區(qū)中每個(gè)緩存塊有一個(gè)2位寬的標(biāo)記值時(shí)，其特征在于該方法包括以下步驟(1-1)定義計(jì)算機(jī)緩存區(qū)中每個(gè)位寬為2的緩存塊的標(biāo)記值為重新訪問距離預(yù)測(cè)值， 重新訪問距離預(yù)測(cè)值為0、1、2或3中的任何一個(gè)；(1-2)當(dāng)一個(gè)新數(shù)據(jù)塊插入計(jì)算機(jī)緩存區(qū)中對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)行時(shí)，若該新數(shù)據(jù)塊是讀訪問數(shù)據(jù)，則將新數(shù)據(jù)塊的重新訪問距離預(yù)測(cè)值設(shè)置為3 ；若該新數(shù)據(jù)塊是寫訪問數(shù)據(jù)，則將新數(shù)據(jù)塊的重新訪問距離預(yù)測(cè)值設(shè)置為2 ；(1-3)當(dāng)緩存區(qū)中的一個(gè)數(shù)據(jù)塊被訪問命中時(shí)，若是讀訪問命中，則將該數(shù)據(jù)塊的重新訪問距離預(yù)測(cè)值設(shè)置為1 ；若是寫訪問命中，則將該數(shù)據(jù)塊的重新訪問距離預(yù)測(cè)值設(shè)置為 0 ；(1-4)當(dāng)緩存區(qū)中不存在被訪問數(shù)據(jù)塊，且緩存區(qū)中與訪問地址相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)行中不存在空閑數(shù)據(jù)塊時(shí)，則進(jìn)行數(shù)據(jù)塊替換操作，替換操作的過程為在與數(shù)據(jù)塊地址相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)行中，從左向右進(jìn)行查找，若數(shù)據(jù)行中存在一個(gè)重新訪問距離預(yù)測(cè)值是3的數(shù)據(jù)塊，則將這個(gè)數(shù)據(jù)塊替換出去；若數(shù)據(jù)行中不存在重新訪問距離預(yù)測(cè)值是3的數(shù)據(jù)塊，則將數(shù)據(jù)行中所有數(shù)據(jù)塊的標(biāo)記值在原來值上加1，直到出現(xiàn)重新訪問距離預(yù)測(cè)值為3的數(shù)據(jù)塊，再在數(shù)據(jù)行中從左向右選擇重新訪問距離預(yù)測(cè)值為3的數(shù)據(jù)塊替換出去。
2.一種基于相變內(nèi)存的讀寫區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)替換方法，當(dāng)計(jì)算機(jī)緩存區(qū)中每個(gè)緩存塊有一個(gè)3位寬的標(biāo)記值時(shí)，其特征在于該方法包括以下步驟(2-1)定義計(jì)算機(jī)緩存區(qū)中每個(gè)位寬為3的緩存塊的標(biāo)記值為重新訪問距離預(yù)測(cè)值， 重新訪問距離預(yù)測(cè)值為0、1、2、3、4、5、6或7中的任何一個(gè)；(2-2)當(dāng)一個(gè)新數(shù)據(jù)塊插入計(jì)算機(jī)緩存區(qū)中對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)行時(shí)，若該新數(shù)據(jù)塊是讀訪問數(shù)據(jù)，則將新數(shù)據(jù)塊的重新訪問距離預(yù)測(cè)值設(shè)置為6 ；若該新數(shù)據(jù)塊是寫訪問數(shù)據(jù)，則將新數(shù)據(jù)塊的重新訪問距離預(yù)測(cè)值設(shè)置為5 ；(2-3)當(dāng)緩存區(qū)中的一個(gè)數(shù)據(jù)塊被訪問命中時(shí)，若是讀訪問命中，則將該數(shù)據(jù)塊的重新訪問距離預(yù)測(cè)值設(shè)置為3 ；若是寫訪問命中，則將該數(shù)據(jù)塊的重新訪問距離預(yù)測(cè)值設(shè)置為 0 ；(2-4)當(dāng)緩存區(qū)中不存在被訪問數(shù)據(jù)塊，且緩存區(qū)中與訪問地址相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)行中不存在空閑數(shù)據(jù)塊時(shí)，則進(jìn)行數(shù)據(jù)塊替換操作，替換操作的過程為在與數(shù)據(jù)塊地址相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)行中，從左向右進(jìn)行查找，若數(shù)據(jù)行中存在一個(gè)重新訪問距離預(yù)測(cè)值是7的數(shù)據(jù)塊，則將這個(gè)數(shù)據(jù)塊替換出去；若數(shù)據(jù)行中不存在重新訪問距離預(yù)測(cè)值是7的數(shù)據(jù)塊，則將數(shù)據(jù)行中所有數(shù)據(jù)塊的標(biāo)記值在原來值上加1，直到出現(xiàn)重新訪問距離預(yù)測(cè)值為7的數(shù)據(jù)塊，再在數(shù)據(jù)行中從左向右選擇重新訪問距離預(yù)測(cè)值為7的數(shù)據(jù)塊替換出去。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于相變內(nèi)存的讀寫區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)替換方法，屬于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明方法中，首先定義每個(gè)緩存塊的M(M＝2或3)位寬的標(biāo)記值為重新訪問距離預(yù)測(cè)值。發(fā)生數(shù)據(jù)塊替換時(shí)，選擇重新訪問距離預(yù)測(cè)值最大的塊進(jìn)行替換。一個(gè)新數(shù)據(jù)塊插入和命中時(shí)，根據(jù)讀寫類別的不同，將重新訪問距離預(yù)測(cè)值設(shè)置為不同的值。其中，給寫訪問數(shù)據(jù)的重新訪問距離值較小，因而優(yōu)先保護(hù)在緩存區(qū)中，減少其被替換到相變內(nèi)存中的次數(shù)。本發(fā)明方法應(yīng)用于相變內(nèi)存上一級(jí)存儲(chǔ)層次，可以在保證整體性能的前提下，有效減少對(duì)相變內(nèi)存的寫操作，延長(zhǎng)相變主存的使用壽命。本發(fā)明方法具有存儲(chǔ)代價(jià)小，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G06F12/12GK102253901SQ20111019514
公開日2011年11月23日 申請(qǐng)日期2011年7月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月13日
發(fā)明者張熙, 汪東升, 王海霞, 胡倩 申請(qǐng)人:清華大學(xué)