一种基于软件编译层的可变电阻式存储器磨损均衡方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于计算机存储技术领域，具体涉及一种可变电阻式存储器的磨损均衡方 法。
【背景技术】
[0002] 通用的DRAM存储器受限于能耗大、容量难扩展等问题。一种新型能耗低、容量 大、非易失性的存储器有望替代传统的DRAM存储器，如：记忆组存储器、可变电阻式存储器 (PCM)。特别的是，可变电阻式存储器PCM可以实现多层单元（Multi-Level Cell，MLC)，也 就是一个单元可以存放两个或两个以上的比特。与单层单元（Single-Level Cell，SLC)相 比，MLC可得到较高密集性和较大的容量。然而，这个优势也导致相应的代价，由于需要更 精密的感应和控制PCM单元的电阻，增加了相应的访问延迟以及减少了寿命。
[0003] 一般情况下，一个典型SLC PCM单元能容忍大约IO7-IO8次写操作，一个典型的MLC PCM单元仅能容忍IO5次写操作。MLC PCM单元的寿命给可变电阻式存储器带来了巨大的 挑战。由于典型的嵌入式程序的写操作，常常以一种极不平衡的方式写到内存上，例如：大 部分写操作集中在少量的变量。写操作频繁的变量，对存放该变量的位置磨损大，频繁地对 该位置擦写，加速了可变电阻式储的MLC PCM单元磨损。若不进行合理管理，可变电阻式存 储器可能会在几十秒内被损坏。为了延长可变电阻式存储器的寿命，许多技术被提出来，例 如：
[0004] 现有技术之 一 ：Μ· K. Qureshi, Μ. M. Franceschini, L. A. Lastras-Montano, and J. P. Karidis, "Morphable memory system:a robust architecture for exploiting multi-level phase change memories, '，in Proceedings ofthe 37th International Symposium on Computer Architecture (ISCAi 10),vol.38,pp. 153 - 162,2010. (M.K.Qureshi，M.M. Franceschini，L. A. Lastras-Montano，和 J.P. Karidis，"可变内存 系统：一个基于多层相变存储器的健壮架构"，第37届计算机体系结构上国际研讨会议 (ISCA)，2010)，它根据工作量负荷请求，动态地控制内存系统每个单元存放比特的数目。具 体方法是把内存分为两个区域，一个高密度高延迟的区域（HDPCM)，由MLC模式的内存页构 成；一个是低延迟低密度的区域（LLPCM)，每个单元的存放比特数是HDPCM区域每个单元存 放比特数的一半。在硬件层添加一个内存监控电路（Memory Monitoring circuit, ΜΜ0Ν) 来跟踪工作负载的内存需求。周期性的执行MMON跟踪信息，根据信息，进行评估并确定 LLPCM和HDPCM区域的最佳划分。如果访问发生在HDPCM区域的页面，这样的页面将被升 级到LLCPM区域，来减少后续访问的延迟。允许自动地在LLPCM和HDPCM区域之间转换， 提供低延迟LLPCM区域给频繁访问的页。现有技术一有以下几个缺点：需要在硬件上的支 持。该技术需要内存监控电路来周期性跟踪信息，和单独的硬件架构来记录内存页的物理 位置；周期性监控内存负责量，进行调节，开销大。
[0005] 现有技术之二：R. Zhou and T. Li, "Leveraging phase change memory to achieve efficient virtual machine execution,'，in Proceedings ofACM SIGPLAN/ SIGOPS International Conference on Virtual Execution Environments (VEEi 13), pp. 179 - 190, 2013. (R. Zhou和李涛，"利用相变内存来实现高效的虚拟机执行"，虚拟执行 环境上的ACM SIGPLAN/SIGOPS国际会议（VEE' 13)，2013)，它的内存页管理包含信息收集 器和负载平衡器，定制了之前的内存缺页错误监控方法。把缺页错误分为了 SLC缺页错误 和MLC缺页错误。信息收集器用这两种类型的缺页错误来收集内存位置的统计信息。仅当 MLC缺页错误会触发负载平衡器，来调节SLC和MLC内存页的数目、每个虚拟机中的balloon driver大小。运用了采样算法来周期性跟踪内存缺页信息。根据虚拟内存页使用的LRU直 方图，来计算每个虚拟机的缺页曲线。根据缺页曲线，针对不同虚拟机建立相应的SLC、MLC 的效益函数。当增减一页SLC、MLC内存页，都会带来相应的效益改变。根据效益增减的大 小对比，来确定是否增加 MLC和SLC。现有技术二的缺点：监控内存缺页情况，来计算相应 的效益函数值，不可避免，会导致不小的开销；仅根据内存缺页，来调控MLC和SLC的转换。 这些现有技术存在巨大的写开销和运行开销，并且大多都需要硬件和操作系统的支持，从 而限制了可变电阻式存储器在嵌入式系统上的实际应用。
【发明内容】
[0006] 针对现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是从软件编译器的层面，根据 访问模式，提供一种基于软件编译层的可变电阻式存储器磨损均衡方法，它能有效的改善 可变电阻式存储器在嵌入式系统中的使用寿命，并且具有很低的时间和存储开销，不需要 任何硬件支持。
[0007] 本发明所要解决的技术问题是通过这样的技术方案实现的，它包括以下步骤：
[0008] 步骤1、根据程序的特征，将程序划分为多个程序区域，并统计出各个变量的写操 作次数和变量的大小；
[0009] 步骤2、根据内存未被占用的空间大小，动态地配置可变电阻式存储器单层单元和 多层单元的大小；
[0010] 步骤3、为各个变量分配合适的地址，为写频繁的变量分配高性能和寿命长的 SLC，为写不频繁的变量分配容量大的MLC ;
[0011] 步骤4、把编译好的程序，在嵌入式系统上执行，以获得可变电阻式存储器上的磨 损均衡。
[0012] 由于本方法发明结合了可变电阻式存储器SLC和MLC的优势来平衡写分布；并且 本方法在编译时间完成，具有很低的执行时间和存储开销；因为不需要操作系统或硬件的 支持，所以没有硬件开销。又因为现有技术针对内存页进行分配，而本发明针对变量进行分 配，具有更好的细粒度性，所以能获得更好的磨损均衡。
[0013] 与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：磨损均衡性更好，进一步提高了可变 电阻式存储器的使用寿命；仅需很低的执行时间和存储开销，没有硬件开销。
【附图说明】
[0014] 本发明的【附图说明】如下：
[0015] 图1为本发明中程序划分为程序区域的示意图；
[0016] 图2为本发明的可变电阻式存储器空间划分流程图；
[0017] 图3本发明的数据分配流程图。
【具体实施方式】
[0018] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
[0019] 本发明包括以下步骤：
[0020] 步骤1、根据程序的特征，将程序划分为多个程序区域，并统计出各个变量的写操 作次数和变量的大小；
[0021] 步骤2、根据内存未被占用的空间大小，动态地配置可变电阻式存储器单层单元和 多层单元的大小；
[0022] 步骤3、为各个变量分配合适的地址，为写频繁的变量分配高性能和寿命长的 SLC，为写不频繁的变量分配容量大的MLC，从而减少可变程序的访问延迟，并改善可变电阻 式存储器寿命；
[0023] 步骤4、把编译好的程序，在嵌入式系统上执行，以获得可变电阻式存储器上的磨 损均衡。
[0024] 如图1所示，程序可以划分为多个程序区域。程序区域划分可根据程序点：1)每 个内部程序的开始与结尾；2)每个循环的开始与结尾。然后，根据划分的程序区域，采用程 序的静态分析技术（profiling),统计每个程序区域里静态变量和局部变量的大小，并记 录每个变量的写操作次数。参考文献如下：
[0025] J. Hu, Q. Zhuge, C. J. Xue, ff. -C. Tseng, and E. H. -M. Sha, aLow Overhead Software Wear Leveling for Hybrid PCM+DRAM Main Memory on Embedded Systems, '，IEEE Transation