面向新型非易失性存储器的内存管理系统设计与实现

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1、４击种成丈香ＨＮＯＬＯＧＹＯＦＣＨＩＮＡＵＮＩＣＳＣＩＮＣＥＡＮＤＩＶＥＲＳＩＴＹＯＦ巨Ｌ巨ＣＴＲＯＮＥＴＥＣ硕±学化论文ＭＡＳＴＥＲＴＨＥＳＩＳ．？…巧耐脚巧论文题目面向新型非易失性存储器的内存管理系统设计与实现—学科专业评算机应用技术学号２０１３２１０６０４３６作者姓名王庆指营教师李林副教授独剑性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加Ｗ标注

2、和致谢的地方夕ｈ，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表不谢意。作者签名：Ｖｋ曰期；＾八年月曰论文使用授权本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部口或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可采用

3、影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后应遵守此规定）作者签名：导师签名：曰期：年伯＞曰分类号TP315密级公开注1UDC学位论文面向新型非易失性存储器的内存管理系统设计与实现（题名和副题名）王王王庆庆庆（作者姓名）指导教师李李李李林林林林副教授副教授副教授副教授电子科技大学电子科技大学电子科技大学成都成都成都成都（姓名、职称、单位名称）申请学位级别硕士学科专业计算机应用技术提交论文日期2016.3论文答辩日期2016.5学位授予单位和日期电子科技大学20

4、16年6月答辩委员会主席评阅人注1：注明《国际十进分类法UDC》的类号。DESIGNANDIMPLEMENTATIONOFMEMORYMANAGEMENTSYSTEMFORANEWTYPEOFNON-VOLATILEMEMORYAMasterThesisSubmittedtoUniversityofElectronicScienceandTechnologyofChinaMajor:ComputerApplicationTechnologyAuthor:WangQingAdvisor:LiLinSchool:

5、SchoolofComputerScience&Engineering摘要摘要随着云计算技术的不断发展和规模的壮大，人们对存储的要求越来越高，希望有高密度、高读写速度、低能耗的存储介质。而传统的DRAM、flash和磁盘等产品都有各自的缺陷，DRAM和flash存在着密度和容量的瓶颈，磁盘的读写速度远远达不到要求。随着存储技术的不断发展，PCM、MRAM等新型非易失性存储器（统称为NVM）逐渐出现在人们的视野范围中，它们拥有密度高、容量大、速度快和能耗低等特点，吸引了技术人员的广泛关注。由于NVM自身的诸多特

6、性，许多原来的设计方案不再适合于它，需要重新设计。主要的研究方向包括用NVM代替DRAM，在NVM搭建文件系统等。而本文的研究方向则是用NVM替代DRAM。关于其替代方案，主要有两种观点，一是NVM完全替代DRAM；二是NVM和DRAM结合起来使用，即混合内存。而现有的技术基础上，NVM仍存在一些缺陷（相对于DRAM，其读写速度较慢，且存在写磨损），这限制了NVM完全替代DRAM。因此，更多的研究着手于混合内存上。本文就是在混合内存场景下展开研究的。目前，有两种方式使用NVM，一是按照传统页框管理方式，二是使

7、用文件系统管理NVM。前者未充分考虑NVM持久化特性和存在着空间利用率不高的缺陷；后者未充分利用NVM随机读写的特性和存在着元数据空间开销较大的缺陷。针对上述问题，本文设计并实现了一种针对NVM的低元数据空间开销的持久化页框管理系统。另外，由于NVM的写速度较DRAM慢，写能耗较大，且存在写磨损，本文还设计并实现了一种提供持久化保证的页面置换机制，以减少NVM写操作。上述持久化页框管理系统和页面置换机制，主要有以下特点：1.在操作系统内核层建立NVM的页框管理机制，并为该系统上的操作提供简单事务性接口，保证在

8、宕机或断电的情况下，页框管理系统数据的正确性。2.针对高空间利用率和分配效率，设计并实现多级空闲页框管理机制，并设计适合的页框分配原则。3.考虑到NVM和DRAM读写能耗和读写速度的差距，提供有数据安全保证的页面置换机制，以实现NVM和DRAM间页面的移动，达到加快热点页面读写速度和节约能耗的目的。4.用内核模块的方式开发实现持久化页框管理系统和页面置换功能，并以Linux驱动的形式方便用户使用。最