CN111290706A - 一种基于布隆过滤器的双层读写磨损均衡方法 - Google Patents

一种基于布隆过滤器的双层读写磨损均衡方法 Download PDF

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Abstract

一种基于布隆过滤器的双层读写磨损均衡方法，本发明涉及混合内存存储器控制器磨损均衡方法。本发明的目的是为了解决现有表格磨损均衡算法空间开销大的问题。本发明将计数布隆过滤器应用在存储器控制器的设计中，通过动态的更改读写布隆过滤器的阈值来代表访存程序的时间局部性。同时，通过对读写布隆过滤器中的数值与动态阈值的比较来判断页面的读写热度。使混合内存的高度写磨损页面与轻度写磨损页面就行交换，达到混合内存整体磨损均衡的效果，从而提高混合内存***的整体寿命。本发明用于混合内存的磨损均衡控制领域。

Description

一种基于布隆过滤器的双层读写磨损均衡方法
技术领域
本发明涉及混合内存存储器控制器磨损均衡方法。
背景技术
为了满足现代嵌入式***对存储器内存的大容量和低功耗的要求，DRAM与非易失性存储器构成的混合型内存得到了广泛的应用。在非易失存储器中相变存储器PCM(PhaseChange Memory)已经成为学术界和工业界的新宠。相比于传统DRAM，PCM持久性内存具有静态功率低，存储密度高，按字节寻址的能力和数据持久力高等优点，这些优点为存储器的高效性能带来了巨大的挑战和机遇。尽管PCM优点众多，但其较高的写入延时和较低的写耐受力限制了PCM的使用寿命。在PCM和DRAM的混合主存储器设计中，如何提高平行混合架构中PCM的使用寿命成为目前的研究热点。磨损均衡算法是被广泛采用的用于提高混合存储器耐受性的一种方法。磨损均衡技术把上层不均衡的写访问通过重映射后均衡地写回到底层物理单元上，避免一些内存行因为写次数过高而提前磨穿，从而提升混合内存***的寿命。磨损均衡需要解决恶意攻击和正常负载下混合内存***的寿命问题。对于混合存储器，目前的磨损均衡算法分为基于表格的磨损均衡算法和基于代数的磨损均衡算法。基于表格的磨损均衡算法使用地址映射表记录逻辑地址与物理地址之间的对应关系，周期性的交换写次数较高和较低的区域，从而达到磨损均衡的目的，但是表格磨损均衡算法需要较高的时间和空间开销。代数磨损均衡算法使用代数函数将逻辑地址随机的重映射到物理空间，空间开销很低，代数磨损均衡算法可以在内存器控制器或芯片内部执行。但代数磨损均衡算法普遍面临着磨损预测不准确的问题，该类算法只能全局的轮转交换页面，并未有针对性的对某些写热度很高的页面进行特殊的磨损均衡处理。因此，提出一种低开销、高预测率的混合内存磨损均衡算法是非常有必要的。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有表格磨损均衡算法时间和空间开销大的问题，而提出一种基于布隆过滤器的双层读写磨损均衡方法。
一种基于布隆过滤器的双层读写磨损均衡方法具体过程为：
步骤1、当有操作对页面P访存时，request_counter加1；
如果当前的操作是写操作，则通过两个哈希函数，对write_counting_bloom_filter相应位置加1，进入步骤2；
如果当前的操作是读操作，则通过两个哈希函数，对read_counting_bloom_filter相应位置加1，进入步骤3；
所述request_counter为访存请求计数器；
所述write_counting_bloom_filter为写布隆过滤器，read_counting_bloom_filter为读布隆过滤器；
在时间T内，将当前写操作使得两个哈希函数对write_counting_bloom_filter相应位置write_counting_bloom_filter[i]和write_counting_bloom_filter[j]的值均大于PCM_write_threhold的页面认为是写磨损较多页面；
在时间T内，将当前读操作使得两个哈希函数对read_counting_bloom_filter相应位置read_counting_bloom_filter[i]和read_counting_bloom_filter[j]的值均大于PCM_read_threhold，并且read_counting_bloom_filter[i]>write_counting_bloom_filter[i]、read_counting_bloom_filter[j]>write_counting_bloom_filter[j]的页面认为是写磨损较少的页面，是读热页面；
步骤2、如果当前写操作使得两个哈希函数对write_counting_bloom_filter相应位置write_counting_bloom_filter[i]和write_counting_bloom_filter[j]的值均大于PCM_write_threhold，那么将写磨损较多的页面与写磨损较少的页面进行交换，进入步骤4；否则，进入步骤5；
所述PCM_write_threhold为相变存储器写阈值；
步骤3、如果当前读操作使得两个哈希函数对read_counting_bloom_filter相应位置read_counting_bloom_filter[i]和read_counting_bloom_filter[j]的值均大于PCM_read_threhold，并且read_counting_bloom_filter[i]>write_counting_bloom_filter[i]、read_counting_bloom_filter[j]>write_counting_bloom_filter[j]，则将当前读操作页面放入读热页面候选列表中，进入步骤6；否则，直接进入步骤6；
所述PCM_read_threhold为相变存储器读阈值；
步骤4、将读热页面候选列表中表头存放的页面K取出，将页面P与页面K进行位置交换，进入步骤5；
步骤5、如果PCM_write_threhold>HRWTH，则PCM_write_threhold减半，write_counting_bloom_filter中所有记录值减半，进入步骤7；否则直接进入步骤7；
所述，HRWTH为写操作最大阈值；
步骤6、如果PCM_read_threhold>HRRTH，则PCM_read_threhold减半，read_counting_bloom_filter中所有记录值减半，进入步骤8；否则直接进入步骤8；
所述，HRRTH为读操作最大阈值；
步骤7、如果request_counter是Tupwth的整数倍时，PCM_write_threhold＝PCM_write_threhold+addwrite；否则结束程序；
所述，Tupwth为写阈值更新周期；
addwrite为写阈值增加跨度；
步骤8、如果request_counter是Tuprth的整数倍时，PCM_read_threhold＝PCM_read_threhold+addread；否则结束程序；
所述，Tuprth为读阈值更新周期；
addread为读阈值增加跨度。
本发明的有益效果为：
本发明拟提高混合***内存使用寿命，对混合内存的存储器控制器进行设计，提出了一种基于布隆过滤器的双层读写磨损均衡方法(Double Layer Bloom Filter，DLBF)，在较小的硬件开销下，实现PCM芯片内部粒度适中的磨损均衡，实现了在较小的空间开销小达到磨损均衡的目的。
实验结果表明，相较于无磨损均衡算法、random算法，Bloom Filter算法，本发明将混合内存***的使用寿命分别提升至这些算法的2.34倍、1.22倍、1.02倍。同时，本发明使得写分布的平均方差分别降低至无磨损均衡算法、random算法，Bloom Filter算法的1.04％、66.27％、96.97％。
附图说明
图1为在无磨损均衡算法中dijkstra负载写操作分布情况图；
图2为在无磨损均衡算法中jpeg_dec负载写操作分布情况图；
图3为在无磨损均衡算法中mpeg_dec负载写操作分布情况图；
图4为在DLBF磨损均衡算法中dijkstra负载写操作分布情况图；
图5为在DLBF磨损均衡算法中jpeg_dec负载写操作分布情况图；
图6为在DLBF磨损均衡算法中mpeg_dec负载写操作分布情况图；
图7为在不同算法中归一化的混合内存***使用寿命情况图，Without WL为无磨损均衡算法，random为随机算法，Bloom Filter为布隆过滤器算法，DLBF为双层布隆过滤器算法；
图8为归一化的写分布平均方差情况图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式一种基于布隆过滤器的双层读写磨损均衡方法具体过程为：
步骤1、当有操作对页面P访存时，request_counter加1；
如果当前的操作是写操作，则通过两个哈希函数，对write_counting_bloom_filter相应位置(操作对应的地址带入哈希函数，因为是两个哈希函数，所以会得出两个值i,j。即确定了布隆过滤器的相应位置)加1，进入步骤2；
如果当前的操作是读操作，则通过两个哈希函数，对read_counting_bloom_filter相应位置加1，进入步骤3；
所述request_counter为访存请求计数器；
所述write_counting_bloom_filter为写布隆过滤器，read_counting_bloom_filter为读布隆过滤器；
在时间T内，将当前写操作使得两个哈希函数对write_counting_bloom_filter相应位置write_counting_bloom_filter[i]和write_counting_bloom_filter[j]的值均大于PCM_write_threhold的页面认为是写磨损较多页面；
在时间T内，将当前读操作使得两个哈希函数对read_counting_bloom_filter相应位置read_counting_bloom_filter[i]和read_counting_bloom_filter[j]的值均大于PCM_read_threhold，并且read_counting_bloom_filter[i]>write_counting_bloom_filter[i]、read_counting_bloom_filter[j]>write_counting_bloom_filter[j]的页面认为是写磨损较少的页面，是读热页面；
步骤2、如果当前写操作使得两个哈希函数对write_counting_bloom_filter相应位置write_counting_bloom_filter[i]和write_counting_bloom_filter[j]的值均大于PCM_write_threhold，那么将写磨损较多的页面与写磨损较少的页面进行交换，进入步骤4；否则(当前的页面并不是写磨损多的页面)，进入步骤5；
所述PCM_write_threhold为相变存储器写阈值；
步骤3、如果当前读操作使得两个哈希函数对read_counting_bloom_filter相应位置read_counting_bloom_filter[i]和read_counting_bloom_filter[j]的值均大于PCM_read_threhold，并且read_counting_bloom_filter[i]>write_counting_bloom_filter[i]、read_counting_bloom_filter[j]>write_counting_bloom_filter[j]，则将当前读操作页面放入读热页面候选列表中，进入步骤6；否则，直接进入步骤6；
所述PCM_read_threhold为相变存储器读阈值；
步骤4、将读热页面候选列表中表头存放的页面K取出，将页面P与页面K进行位置交换，进入步骤5；
步骤5、如果PCM_write_threhold>HRWTH，则PCM_write_threhold减半，write_counting_bloom_filter中所有记录值减半，进入步骤7；否则直接进入步骤7；
所述，HRWTH为写操作最大阈值；
步骤6、如果PCM_read_threhold>HRRTH，则PCM_read_threhold减半，read_counting_bloom_filter中所有记录值减半，进入步骤8；否则直接进入步骤8；
所述，HRRTH为读操作最大阈值；
步骤7、如果request_counter是Tupwth的整数倍时，PCM_write_threhold＝PCM_write_threhold+addwrite；否则结束程序；
所述，Tupwth为写阈值更新周期；
addwrite为写阈值增加跨度；
步骤8、如果request_counter是Tuprth的整数倍时，PCM_read_threhold＝PCM_read_threhold+addread；否则结束程序；
所述，Tuprth为读阈值更新周期；
addread为读阈值增加跨度。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是，所述步骤1中两个哈希函数分别是
i＝(R1*7+pageNo+1)％bf_size；
j＝(R2*31+pageNo+1)％bf_size；
其中，bf_size为布隆过滤器长度，取值为256；pageNo为每个地址的特殊编码；R1,R2为随机数。
其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是，所述步骤1中时间T为10000个访存请求的时间。
其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式二或三不同的是，所述步骤5中写操作最大阈值200<HRWTH<8000。
其它步骤及参数与具体实施方式二或三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是，所述步骤6中读操作最大阈值10000<HRRTH<80000。
其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是，所述步骤7中写阈值更新周期10000<Tupwth<80000；
写阈值增加跨度1≤addwrite≤16。
其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是，所述步骤8中读阈值更新周期2000<Tuprth<20000；
读阈值增加跨度1≤addread≤8。
其它步骤及参数与具体实施方式一至六之一相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：
本发明使用Gem5-Nvmain***模拟器对bitcount、CRC32、dijkstra、FFT、jpeg_decoder、jpeg_encoder、mpeg2_dec、patricia、qsort、sha这10种常用负载进行测试，这些负载来自mediabench或Mibench。主存储器的详细仿真配置列于表1中。
表1：仿真配置
Figure BDA0002368031920000071
如图1所示，本发明将访存过程中的写操作均匀的分布在了混合内存中。与无磨损均衡算法的混合内存写分布情况相比，当***运行这三种测试负载时，本发明DLBF磨损均衡算法将***的使用寿命分别提高提高了67.99％、84.21％、54.23％。同时DLBF将写分布方差降至无磨损均衡算法的7.2％、0.91％、1.15％。
如图2所示，与无磨损均衡算法、random算法，Bloom Filter算法相比，本发明DLBF将混合内存***的使用寿命分别提升至这些算法的2.34倍、1.22倍、1.02倍。
图3显示了混合内存中写分布的归一化平均方差，DLBF使得写分布的平均方差分别降低至无磨损均衡算法、random算法、Bloom Filter算法的1.04％、66.27％、96.97％。
本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于布隆过滤器的双层读写磨损均衡方法，其特征在于：所述方法具体过程为：
步骤1、当有操作对页面P访存时，request_counter加1；
如果当前的操作是写操作，则通过两个哈希函数，对write_counting_bloom_filter相应位置加1，进入步骤2；
如果当前的操作是读操作，则通过两个哈希函数，对read_counting_bloom_filter相应位置加1，进入步骤3；
所述request_counter为访存请求计数器；
所述write_counting_bloom_filter为写布隆过滤器，read_counting_bloom_filter为读布隆过滤器；
在时间T内，将当前写操作使得两个哈希函数对write_counting_bloom_filter相应位置write_counting_bloom_filter[i]和write_counting_bloom_filter[j]的值均大于PCM_write_threhold的页面认为是写磨损较多页面；
在时间T内，将当前读操作使得两个哈希函数对read_counting_bloom_filter相应位置read_counting_bloom_filter[i]和read_counting_bloom_filter[j]的值均大于PCM_read_threhold，并且read_counting_bloom_filter[i]>write_counting_bloom_filter[i]、read_counting_bloom_filter[j]>write_counting_bloom_filter[j]的页面认为是写磨损较少的页面，是读热页面；
步骤2、如果当前写操作使得两个哈希函数对write_counting_bloom_filter相应位置write_counting_bloom_filter[i]和write_counting_bloom_filter[j]的值均大于PCM_write_threhold，那么将写磨损较多的页面与写磨损较少的页面进行交换，进入步骤4；否则，进入步骤5；
所述PCM_write_threhold为相变存储器写阈值；
步骤3、如果当前读操作使得两个哈希函数对read_counting_bloom_filter相应位置read_counting_bloom_filter[i]和read_counting_bloom_filter[j]的值均大于PCM_read_threhold，并且read_counting_bloom_filter[i]>write_counting_bloom_filter[i]、read_counting_bloom_filter[j]>write_counting_bloom_filter[j]，则将当前读操作页面放入读热页面候选列表中，进入步骤6；否则，直接进入步骤6；
所述PCM_read_threhold为相变存储器读阈值；
步骤4、将读热页面候选列表中表头存放的页面K取出，将页面P与页面K进行位置交换，进入步骤5；
步骤5、如果PCM_write_threhold>HRWTH，则PCM_write_threhold减半，write_counting_bloom_filter中所有记录值减半，进入步骤7；否则直接进入步骤7；
所述，HRWTH为写操作最大阈值；
步骤6、如果PCM_read_threhold>HRRTH，则PCM_read_threhold减半，read_counting_bloom_filter中所有记录值减半，进入步骤8；否则直接进入步骤8；
所述，HRRTH为读操作最大阈值；
步骤7、如果request_counter是Tupwth的整数倍时，PCM_write_threhold＝PCM_write_threhold+addwrite；否则结束程序；
所述，Tupwth为写阈值更新周期；
addwrite为写阈值增加跨度；
步骤8、如果request_counter是Tuprth的整数倍时，PCM_read_threhold＝PCM_read_threhold+addread；否则结束程序；
所述，Tuprth为读阈值更新周期；
addread为读阈值增加跨度。
2.根据权利要求1所述一种基于布隆过滤器的双层读写磨损均衡方法，其特征在于：所述步骤1中两个哈希函数分别是
i＝(R1*7+pageNo+1)％bf_size；
j＝(R2*31+pageNo+1)％bf_size；
其中，bf_size为布隆过滤器长度，取值为256；pageNo为每个地址的特殊编码；R1,R2为随机数。
3.根据权利要求1所述一种基于布隆过滤器的双层读写磨损均衡方法，其特征在于：所述步骤1中时间T为10000个访存请求的时间。
4.根据权利要求2或3所述一种基于布隆过滤器的双层读写磨损均衡方法，其特征在于：所述步骤5中写操作最大阈值200<HRWTH<8000。
5.根据权利要求4所述一种基于布隆过滤器的双层读写磨损均衡方法，其特征在于：所述步骤6中读操作最大阈值10000<HRRTH<80000。
6.根据权利要求5所述一种基于布隆过滤器的双层读写磨损均衡方法，其特征在于：所述步骤7中写阈值更新周期10000<Tupwth<80000；
写阈值增加跨度1≤addwrite≤16。
7.根据权利要求6所述一种基于布隆过滤器的双层读写磨损均衡方法，其特征在于：所述步骤8中读阈值更新周期2000<Tuprth<20000；
读阈值增加跨度1≤addread≤8。
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