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分类号学号M200972335学校代码10487密级硕士学位论文相变混合存储系统管理策略与实现技术学位申请人：谢雅旋学科专业：计算机系统结构指导教师：陈进才教授答辩日期：2012年1月9日AThesisSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringImplementationofStorageManagementStrategyforHybridSystembasedonPCRAMCandidate:XieYaxuanMajor:ComputerArchitectureSupervisor:Prof.ChenJincaiHuazhongUniversityofScience&TechnologyWuhan,Hubei430074,P.R.ChinaJan,2012独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在_____年解密后适用本授权书。不保密□。（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年本论文属于华中科技大学硕士学位论文I摘要随着半导体制造工艺技术的发展，DRAM与闪存的尺寸已经缩小甚多，但进一步缩小的空间不大，且其存储性能随着密度的提升而受到严重影响。在此背景下，研究开发理想的半导体存储器来解决现有存储器技术所面临的瓶颈刻不容缓。为此，新一代具有高密度、高速度、长寿命的存储器——相变存储器应运而生。相变存储器兼具RAM与闪存的优点，其耐写次数虽能达到108，但在理想条件下，一个基本的相变存储系统也仅有几年的寿命。若对同一相变存储单元进行不间断地写操作，则其在数秒内可能失效。鉴此，提出了一种针对相变存储器的管理策略来提高整个存储系统的寿命。在分析现有闪存和相变存储器管理策略的基础上，提出一种易于硬件实现、低内存消耗的动态交换均衡策略。接着给出混合相变存储系统的硬件架构，分析文件系统到外存系统之间的数据流结构，将系统的元数据与用户数据分离，分别存储到PCM与NANDFlash中。其中，主要对存放元数据的相变存储器的管理策略进行设计和实现，其基本思想是将存储系统划分为多个区域多个阵列，并将文件数据以条带化方式进行存储；通过邻行拷贝算法来交换阵列内相邻的存储行和“冷热区”的数据，以均衡整个系统的写次数。这种算法与现有的方法相比，能加大数据地址映射的离散度，有效抵御重复写相同单元的操作，从而延长存储系统的寿命和利用率。最后，通过仿真结果分析和比较，验证了所实现算法的性能优势。关键词：相变存储器，损耗均衡算法，混合外存系统，动态交换华中科技大学硕士学位论文IIAbstractAlongwiththedevelopmentofmanufacturingprocessofsemiconductor,thesizeofDRAMandFlashMemoryisgettingsmallerandsmaller.However,memoryscalingisinjeopardyaschargestorageandsensingmechanismsbecomelessreliableforprevalentmemorytechnologies,suchasDRAMandFlashMemory.Underthiscircumstance,thereisnotimetodelaytoresearchanddevelopidealsemiconductormemorytosolvethisproblem.Thus,PhaseChangeMemory(PCM),anewgenerationofmemorywithhighdensity,highspeedandlong-life,isdeveloped.PCMisanewresistance-typenonvolatilesemiconductormemory,havingtheadvantagesofbothRAMandFlashMemory.However,PCMcellscanendureonlyamaximumof107-108writes,makingaPCMbasedsystemhavealifetimeofmerelyseveralyearsunderidealconditions.IfonePCMcellisuninterruptedlywritten,itmayloseefficacyinseveralseconds.Therefore,weproposeastrategytomakePCMbasedsystemworklonger.AfteranalyzingexistingstoragemanagementstrategyforFlashMemoryandPCM,wecomeupwithExchange-Wear-Leveling,whichiseasilycompletedonhardwareandhaslowmemoryconsumption.Then,weintroduceahybridhardwarearchitecturewhichconsistsofPCMandNANDFlash;analyzethestructureofdatastoragebetweenfilesystemandexternalmemorysystem;separatethemetadataanduserdatawhicharerespectivelystoredinPCMandNANDFlash.Inthispaper,wefocusonthemanagementstrategyforPCMwithmetadata.Themainideaistopartitionthememoryintomulti-areaandmulti-arrayfordatastriping.Webalancethewritingoperationsduringthewholesystembyexchangingadjacentlinewithinamemoryarrayandexchanginghotdata-areaandcolddata-area.Comparingwithexistingalgorithms,oursolutioncanmaketheaddress-mappingmorediscreteandrestrainfromrepeatedlywritingonthesamecell,soastolengthenthelifetimeofmemorysystemandusability.Finally,weprovetheperformancesuperiorityofthisalgorithmbysimulation.KeyWords:PhaseChangeMemory,WearLeveling,Hybridstoragesystem,Dynamicexchange华中科技大学硕士学位论文III目录摘要..............................................................................................................IAbstract.....................................................................................................II1绪论1.1课题背景和意义.................................................................................(1)1.2国内外研究现状.................................................................................(2)1.3本课题主要研究内容.........................................................................(3)1.4本文组织结构.....................................................................................(4)2相关损耗均衡算法2.1闪存损耗均衡算法............................................................................(6)2.2相变存储器写均衡算法...................................................................(10)2.3内存消耗比较..................................................................................(14)2.4本章小结..........................................................................................(15)3一种相变存储器的写均衡算法3.1相变存储器系统划分.......................................................................(17)3.2邻行拷贝算法...................................................................................(18)3.3加密算法...........................................................................................(25)3.4动态交换策略...................................................................................(26)3.5本章小结...........................................................................................(28)4混合系统相变存储写均衡算法的实现华中科技大学硕士学位论文IV4.1混合外存系统的硬件架构..............................................................(29)4.2相变存储芯片..................................................................................(30)4.3混合外存系统的数据流结构..........................................................(31)4.4写均衡算法的执行过程...