CN103810113A - 一种非易失存储器和动态随机存取存储器的融合内存*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种非易失存储器和动态随机存取存储器的融合内存***，将非易失存储器和动态随机存取存储器融合在一起，共同作为计算机***的内存统一管理，其中动态随机存取存储器既可以与非易失存储器统一编址，亦可以以部分容量充当非易失存储器的高速缓冲存储器（cache），其cache空间的容量大小自适应数据负载特点而动态可配，以便加快非易失存储器的访问速度，并能降低I/O访问磁盘频率，提高计算机***整体性能。
Description
技术领域
本发明属于计算机存储领域，具体涉及一种非易失存储器和动态随机存取存储器的融合内存***。
背景技术
新型非易失性存储器（Non-Volatile Memory，NVM）的出现，为扩展计算机内存提供了新的途径，同时促进了计算机在***结构上的改变。现有的NVM有PCM（Phase Change Memory，相变存储器），STT-RAM（Spin TransferTorque Random Access Memory，自旋转移矩随机存储器），MRAM（MagneticRandom Access Memory，磁性随机存储器器），FeRAM（Ferroelectric RandomAccess Memory,铁电随机存储器）等。新型非易失性存储器的存储机理不再是传统的利用电子形成的电荷流存储数据的，而是利用磁阻效应、阻变效应、相变效应等等诸如此类的机理实现数据的存储，这样的特性使它们具有了诸多传统存储器不会具有的优势，如相变存储器是一种由硫族化合物材料构成的新型非易失性存储器，它利用材料可逆转的相变来存储信息，相变存储器材料在一定条件下会发生从非晶体状态到晶体状态，再返回非晶体状态的变化，在此过程中的非晶体状态和晶体状态呈现出不同的电阻特性和光学特性，因此，可以利用非晶态和晶态分别表示“0”和“1”来存储数据，它提供了非易失、低能耗、随机读写速度快等特点。目前三星和美光公司陆续推出了90nm和45nm制程的PCM芯片。
当前新型非易失存储器在计算机存储***领域的研究，主要方向有两个：一是作为外存设备使用，二是采用非易失存储器和DRAM作为混合内存（Hybrid Memory），即DRAM是非易失存储器的cache。
相对于DRAM而言，非易失存储器具有非易失性，可以长期保留数据，同时具有高密度特性，这对内存技术的进一步发展提供了支持；但与此同时非易失存储器具有相对较大的延迟，且写速率和DRAM也有差距，部分非易失存储器的寿命也相对有限，若想它可以替代DRAM，就必须克服其自身寿命、能耗和延迟等诸多问题，但现有的研究大多都只针对这诸多问题中的某一个进行，并没有综合考虑克服多方面的限制，因此非易失存储器单独做内存还存在很多挑战和困境，短期内也无法做到DRAM的完全替代者。目前一般仅用非易失存储器替代计算机原有***的ROM部分，或者研究使用DRAM和非易失存储器构建混合内存，即用非易失存储器做计算机存储***的中间存储层，如：数据存储依次通过磁盘、非易失存储器、动态随机存取存储器、Cache、CPU，数据访问层次太多，IO路径过长，并没有充分发挥出非易失存储器的特点。
发明内容
鉴于此，本发明的目的在于提供一种非易失存储器和动态随机存取存储器的融合内存***，解决现有计算机内存掉电数据丢失、开机启动慢，能耗降低困难、频繁与磁盘交换的IO性能低下等一系列问题，同时能够通过动态调整融合内存缓冲区空间的容量，自适应应用负载请求，提高内存使用效率。
本发明提出的一种非易失存储器和动态随机存取存储器的融合内存***，包括：
统一编址、统一管理的非易失存储器（NVM）和动态随机存取存储器（DRAM），其中DRAM包括充当非易失存储器的cache的DRAM cache部分，其空间容量可动态调整；
协议转换模块，用于将非易失存储器物理芯片封装接口协议转换为内存接口所采用的内存协议；
融合内存控制器，用于根据非易失存储器和DRAM物理芯片的工作时序、上层调用命令以及引脚电平信号状态，设置工作状态机以完成相应的操作，并提供驱动内存芯片的软件接口；
融合内存管理模块，用于对融合内存进行统一管理，包括DRAM空间容量动态调整子模块，其中，所述DRAM空间容量动态调整子模块用于周期性监测DRAM cache部分的命中率H，并检测读写请求比例R：
R=读请求数目÷写请求数目 （1）
当命中率H＜K且读写请求比例R<T时，增大DRAM cache容量，其中，K、T均为预定阈值，其值可根据用户需求而自定义配置，0<K<1，0<T<1；
当命中率H≥K且读写请求比例R≥T时，减小DRAM cache容量。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：最大限度发挥出非易失存储器和DRAM的优势，通过融合内存架构，解决现有内存***掉电数据丢失、开机启动慢，能耗降低困难、频繁与磁盘交换的IO性能低下等一系列问题。
附图说明
图1为本发明实施例的融合内存***架构图；
图2为本发明实施例的融合内存***硬件平台架构图；
图3为本发明实施例的非易失融合内存硬件架构图；
图4为本发明实施例的融合内存管理模块图；
图5为平行架构融合内存模块图；
图6为垂直架构融合内存模块图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及示例性实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的示例性实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明的适用范围。
以下，从三个方面来描述本发明实施例的融合内存***：融合内存***整体架构、融合内存***硬件平台和融合内存管理模块。
一、融合内存***整体架构
如图1所示，本发明实施例的融合内存***中采用非易失存储器（NVM）和动态随机存取存储器（DRAM）构建内存，CPU通过融合内存控制器来访问融合内存***，所谓融合，在***层面上的反映即为由非易失存储器和动态随机存取存储器构成的内存***的编址和分配管理方案。
根据DRAM器在该架构中所处的位置，将DRAM器分为两部分：
一部分DRAM与非易失存储器的地位同等，它们进行统一编址、统一管理，两者共同构成传统意义上的内存。根据CPU访问内存数据的特点，可以直接将数据存放到内存的动态随机存取存储器部分或者是内存的非易失存储器部分；
另一部分DRAM充当非易失存储器的cache，用于掩盖和缓解非易失存储器相对于DRAM较差的延迟性能，称为DRAM cache。这部分DRAM空间的容量大小是动态可配的，即能够根据上层数据负载的特性和访问频率等信息，自适应地动态调整容量大小。
对于整个融合内存***而言，其对DRAM和非易失存储器统一编址、统一管理，其地址的范围为0～n，对上层而言可以视作为一个整体的内存，具体器类型不可见。其中，非易失存储器部分的地址为统一编址的一部分，该部分地址固定不变；DRAM的地址为统一编址的另一部分，可以动态变化。注意此处cache用DRAM的地址范围A为0～X，X为DRAM的最大地址，地址范围A根据上层请求的特性而动态调整。例如，如果请求是读多写少的类型，则A将会变小，即直接让读请求发生在非易失存储器上；相反，如果请求是读少写多的类型，则A会变大，也即利用更多的DRAM来充当非易失存储器的cache，以掩盖它的写速度，并提高寿命。
二、融合内存***硬件平台
采用包括但不限于ARM、FPGA等处理器的嵌入式开发环境，在这些平台上部署融合内存***，使处理器以内存的方式识别并访问融合内存器，实现基于非易失存储器和DRAM的融合内存***。
（1）硬件平台整体架构
如图2所示，硬件平台整体架构包括以下个几部分：
处理器模块，包括但不限于ARM、FPGA等处理器；
多个内存物理接口，用于提供符合内存技术标准的信号协议。上述内存接口技术标准可以为现有内存接口技术标准，如DDR2，DDR3等。在这些内存物理接口中，预留出设计***必须使用的内存接口，如处理器控制相应的内存所使用的I/O口等，还要留出融合内存***中非易失存储器与DRAM器所需要的内存接口。
SD卡接口模块，通过SD卡配置并启动处理器***；
通用串口转USB接口模块，提供调试串口功能；
PCIe接口模块，根据用户需求和自定义，支持PCIe系列（包括PCIe一代、二代下的多种通道配置）物理协议，使得该硬件平台以定义的PCIe接口（PCIe2.0X8）与主机接口进行通信；
电源适配器模块，与ATX电源接口配套，可以提供多个自适应的I/O口电平，如提供1.2V、1.5V、1.8V、2.5V、3.3V等；
时钟管理模块，用于产生相应模块所需要的时钟。
（2）非易失存储器融合内存硬件
非易失存储器融合内存硬件具体架构如图3所示，其设计思路如下：以某系列非易失存储器芯片为基础，设计并制作非易失存储器融合内存，该内存硬件接口类型遵循主板内存物理接口所采用的内存标准信号协议，提供对应的标准物理接口，可以以既定的形态连接在内存接口中，同时支持同样标准协议的DRAM内存硬件，通过融合内存管理和融合内存控制器的工作，使得处理器可以按照内存的访问方式访问非易失存储器存储器与DRAM存储器，实现基于非易失存储器和动态随机存取的融合内存***。
其中，由于内存访问的接口协议为标准协议，而当前市面上的非易失存储器物理芯片并非都采用了与内存标准一致的通信协议。因此，为了实现内存模式访问非易失存储器，需要在非易失存储器芯片封装接口协议和硬件方案整体架构中内存接口模块所采用的内存协议之间进行转换，或者完成兼容。为此，该融合内存硬件包括一个协议转换模块，用于将非易失存储器物理芯片封装接口协议转换为内存接口所采用的内存协议。
与此同时，不同接口协议之间的电平需要隔离与转换（如美光LPDDR2系列PCM芯片的支持电平为1.2V，P8P系列为3.3V，而DDR3协议支持的电平为1.5V，DDR2协议支持的电平为1.8V），因此，优选地，该融合内存硬件还包括一个电平转换模块，完成不同接口协议之间的电平隔离和转换。
非易失存储器内存硬件的具体形式可以是内存条，根据需求选定非易失存储器芯片，组成存储阵列；也可以是母卡上插子卡的形式，每一个子卡上可以采用多片，构成了一定容量固态存储空间，子卡中每个非易失存储器芯片都是单独的一个通道，多个子卡之间的读写等操作可以完全并行。
（3）融合内存控制器
如同传统的内存控制器一样，融合内存控制器根据非易失存储器和DRAM物理芯片的工作时序、上层调用命令以及引脚电平信号状态，设置工作状态机以完成相应的操作，并提供驱动内存芯片的软件接口。内存控制器的硬件方面，根据融合内存芯片工作的状态机及当前上层调用的命令，完成相应操作；内存控制器的软件方面，提供对融合内存***读写等各个命令的函数接口。内存控制器中状态机的具体设计是本领域的现有技术，在此不予赘述。
三、融合内存管理模块
针对非易失存储器和DRAM两类不同的内存，融合内存管理模块需要考虑数据的布局和迁移，根据两类存储器的优缺点，合理放置数据，使得非易失存储器和DRAM中存放的内存数据有一定区别，以体现出DRAM存取速率较快，PCM非易失的特点，对关键的数据如需要高一致可靠的元数据信息，快速启动需要配置信息，只读的***信息直接放置在非易失存储器中。同时合理利用两者的存储空间，将部分DRAM作为非易失存储器的内存Cache，经常访问的数据放置在DRAM中，非易失存储器作为DRAM的后端存储，利用DRAM存取速度快的特点，掩盖非易失存储器的写延迟长的缺点，并减少了非易失存储器的写次数，利于非易失存储器寿命和写能耗的限制。同时也发挥出非易失存储器掉电非易失的特性，数据一致性好，永久保存内存数据。
如图4所示，本发明实施例中，融合内存管理模块对融合内存进行统一管理，包括冷热数据识别子模块、数据迁移子模块、初始化子模块、读写请求调度子模块、地址映射子模块、损耗均衡子模块等。
冷热数据识别子模块：根据访问频率和访问时间判断访问数据的冷热性。其中，即考虑数据本身的热度，又考虑程序访问时的局部性原理等多种因素，针对所用的非易失存储器，部署冷热数据识别机制；
数据迁移子模块：根据冷热数据的识别结果，将在DRAM中识别为冷数据的数据，迁移到DRAM cache或者NVM中（具体根据所选用NVM的特性来决定被DRAM识别为冷数据的数据迁移方向），将在DRAM cache中识别为热数据的数据，迁移到DRAM中。这样的优势在于，充分利用DRAM的读写速率快的优点，降低数据迁移操作的时间和延迟开销，同时当一个数据接连在二者之间迁移时，并没有真正的写入到非易失存储器中，减少了非易失存储器器中冗余或不必要数据的写入，有利于非易失存储器的寿命；
初始化子模块：***第一次初始化时将预定的关键数据（如***启动所需的信息、需要高一致可靠的元数据信息）导入非易失存储器中。在后续运行时，关键数据也存放在非易失存储器中，这样将使得***的下次启动快速进行，而不再需要重新导入启动信息。
读写请求调度子模块：上层请求下达后，根据请求特性确定请求的下发地址，然后将请求命令下发到融合内存控制器，最后到达相应的融合内存。所述请求特性包括读写类型比例、请求负载特性等。
地址映射子模块：为融合内存***维持统一的地址映射表。该表存放在非易失存储器中，将融合内存器的逻辑地址与物理地址分离开来，便于进行非易失存储器器的磨损均衡和读写请求调度。
磨损均衡子模块：监控非易失存储器的读写次数，在进行上层请求分配时利用地址映射机制实现非易失存储器的磨损均衡。优选地，还可以在非易失存储器区域考虑进行动态磨损均衡，如周期性进行读写热区域地址交换。具体为：统计非易失存储器每个区域发生的读次数和写次数，在频繁发生I/O的读操作区域和写操作区域之间进行数据、地址置换。
优选地，融合内存管理模块还包括性能优化子模块：根据非易失存储器的特性执行优化策略，包括降低写延迟、写暂停和写取消等。其中，由于非易失存储器相对于DRAM的写延迟较大，且非易失存储器的寿命有限，因此对融合内存***的性能优化机制主要针对非易失存储器器的写性能优化、能耗优化等，以及最大限度的解决非易失存储器在寿命、写操作延迟和能耗等方面的限制，整体提升融合内存***的性能。
进一步地，融合内存管理模块还包括DRAM空间容量动态调整子模块：周期性监测DRAM cache部分的命中率H，并检测读写请求比例R：
R=读请求数目÷写请求数目 （1）
当命中率H＜K（K为一个预定阈值，其值可根据用户需求而自定义配置，0<K<1）且读写请求比例R<T时（T为一个预定阈值，其值可根据用户需求而自定义配置，0<T<1），增大DRAM cache容量。具体操作为将统一编址的DRAM剔除部分区域空间，并将其编址到DRAM cache中，增大的容量大小为原DRAM cache容量的γ倍（γ为容量变化因子，0<γ<1,该值亦可以由用户自定义配置）；
当命中率H≥K且读写请求比例R≥T时，减小DRAM cache容量。具体操作为将DRAM cache中的部分空间编址到融合内存的统一编址中，减小的容量大小为原DRAM cache容量的θ倍（θ为容量变化因子，0<θ<1,该值亦可以由用户自定义配置）。
由此可见，该内存***强调非易失存储器和DRAM的融合，即两者的地位和作用不再是简单的混合架构或者单独层存在的内存架构，而是“融合架构”，即非易失存储器和DRAM共同构成统一内存，其中DRAM将和非易失存储器统一空间编址，与此同时DRAM中划分出部分空间做非易失存储器的缓存cache；根据数据负载特征等因素的不同，DRAM中充当非易失存储器的cache部分空间的容量是动态可配置的；即对负载特性具有感知，灵活配置DRAM cache容量大小，以提高DRAM cache的命中率，提高融合内存***的性能。
需要指出的是，DRAM容量调整有可能变为两个极端：①平行结构：即所有的DRAM均与非易失存储器统一编址，不再充当非易失存储器的cache，如图5所示；②垂直结构：即所有的DRAM都充当了非易失存储器的cache，非易失存储器作为DRAM的后端扩展内存，如图6所示。
最后需要指出，本发明实施例中融合内存***的非易失存储器可以是基于相变存储器的存储器，也可以是基于NAND FLASH的存储器或其他可以用作内存的非易失存储器。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种非易失存储器和动态随机存取存储器的融合内存***，包括：
统一编址、统一管理的非易失存储器（NVM）和动态随机存取存储器（DRAM），其中DRAM包括充当非易失存储器的cache的DRAM cache部分，其空间容量可动态调整；
协议转换模块，用于将非易失存储器物理芯片封装接口协议转换为内存接口所采用的内存协议；
融合内存控制器，用于根据非易失存储器和DRAM物理芯片的工作时序、上层调用命令以及引脚电平信号状态，设置工作状态机以完成相应的操作，并提供驱动内存芯片的软件接口；
融合内存管理模块，用于对融合内存进行统一管理，包括DRAM空间容量动态调整子模块，其中，所述DRAM空间容量动态调整子模块用于周期性监测DRAM cache部分的命中率H，并检测读写请求比例R：
R=读请求数目÷写请求数目 （1）
当命中率H＜K且读写请求比例R<T时，增大DRAM cache容量，其中，K、T均为预定阈值，其值可根据用户需求而自定义配置，0<K<1，0<T<1；
当命中率H≥K且读写请求比例R≥T时，减小DRAM cache容量。
2.根据权利要求1所述的融合内存***，还包括电平转换模块，用于完成不同接口协议之间的电平隔离和转换。
3.根据权利要求1所述的融合内存***，其中，所述融合内存管理模块还包括冷热数据识别子模块和数据迁移子模块，所述冷热数据识别子模块用于根据访问频率和访问时间判断访问数据的冷热性；所述数据迁移子模块用于根据冷热数据的识别结果，将在DRAM中识别为冷数据的数据，迁移到DRAM cache或者NVM中，将在DRAM cache中识别为热数据的数据，迁移到DRAM中。
4.根据权利要求1所述的融合内存***，其中，所述融合内存管理模块还包括初始化子模块，用于在***第一次初始化时将预定的关键数据（如***启动所需的信息、需要高一致可靠的元数据信息）导入非易失存储器中。
5.根据权利要求1所述的融合内存***，其中，所述融合内存管理模块还包括读写请求调度子模块：上层请求下达后，根据请求特性确定请求的下发地址，然后将请求命令下发到融合内存控制器，最后到达相应的融合内存。
6.根据权利要求1所述的融合内存***，其中，所述融合内存管理模块还包括地址映射子模块，用于为融合内存***维持统一的地址映射表。
7.根据权利要求1所述的融合内存***，其中，所述融合内存管理模块还包括磨损均衡子模块，用于监控非易失存储器的读写次数，在进行上层请求分配时利用地址映射机制实现非易失存储器的磨损均衡。
8.根据权利要求7所述的融合内存***，其中，所述磨损均衡子模块还用于统计非易失存储器每个区域发生的读次数和写次数，在频繁发生I/O的读操作区域和写操作区域之间进行数据、地址置换。
9.根据权利要求1所述的融合内存***，其中，所述融合内存管理模块还包括性能优化子模块，用于根据非易失存储器的特性执行优化策略，包括降低写延迟、写暂停和写取消。
10.根据权利要求1所述的融合内存***，其中，所述非易失存储器为基于相变存储器（PCM）的存储器、基于NAND FLASH的存储器或其他可以用作内存的非易失存储器。
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