论文研读：Operating System Support for NVM+DRAM Hybrid Main Memory

最新推荐文章于 2025-05-17 16:31:43 发布

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论文《Operating System Support for NVM+DRAM Hybrid Main Memory - 2009》

基于新技术的趋势，作者提出构建混合内存（2009就提出混合内存这个概念了）

使用闪存(Flash)做为DRAM替代品的挑战：

擦除：必须先擦除闪存才能写入。并且擦除往往很慢，必须擦除一大块，而不是单个word
持久性：闪存需要考虑磨损问题。
慢速写入：闪存写入比DRAM写入更耗时，因此闪存写入与典型的内存控制器不兼容。
读取方式：不同的闪存有不同的读取方式，比如NAND闪存需要读取整个页面，很难用于主存，NOR闪存的读取方式与DRAM差不多。虽然NVND闪存在成本和密度方面都优于NOR闪存，但由于NVND闪存无法满足任何接近DRAM的cache line读取速度，所以一般不会考虑NAND闪存和DRAM的混合内存设计。

本文探讨了混合主存储器的两种选择：

NOR-flash hybrid

提出了一种FLAM DIMM，包含尽可能多的NOR flash 芯片，适当的DRAM用于缓冲写操作，以及一个简单的ASIC。
FLAM DIMM的地址空间分为几个区域：
Flash：直接映射用于cache line范围的读取，CPU无法直接写入
DRAM copy buffer(CB)：映射CPU的读写操作
Control register：通过标准系统管理总线访问，映射到I/O空间

页面迁移问题
由于闪存不能由CPU存储操作直接写入，因此将页面大小的写入暂存在CB中。也就是说，当操作系统决定将页Pd从主内存DRAM移动到FLAM时，它会分配一个预擦除的闪存页Pf ，将Pd复制到CB中的空闲页Pb，然后给FLAM控制器发送信号，将Pd从Pb复制到Pf，这种拷贝可以以内存写入速度进行，而不会使CPU停止。复制完成后，控制器向OS发信号，OS将虚拟页面Pv从Pd重新映射到Pf，并使TLB无效。

基础软件设计
启动时，OS首先从DRAM分配所有内存页，OS必须把Pd和Pf的页表条目设置为只读/读+执行，因为在迁移期间，任何的修改都可能导致不一致。

迁移页的选择：用于用户地址空间和文件系统缓冲的页面（消耗大部分DRAM）…并提出了几种启发式的迁移方法
Page type：代码页可以迁移，堆栈页，两个进程之间共享的非文件页不建议迁移。
File types：
File reference modes：标记为临时文件页面不应该迁移。
…
垃圾回收
闪存擦除块比页面大，当FLAM页面迁移回DRAM时，操作系统必须进行垃圾收集，以便擦除块以保持足够大的可用FLAM页面池。
磨损级别
由于闪存的寿命有限，OS要考虑FLAM的磨损问题，这需要跟踪每个FLAM块的分配状态和擦除次数，然后将页面迁移到擦除次数最少的已擦除块上。