[发明专利]用于支持存储器压缩的操作系统的方法

说明书

本发明涉及对主存储器内容进行硬件压缩的计算系统，更具体的是涉及对硬件主存储器压缩造成的动态改变存储器尺寸进行的管理。

数据压缩技术被广泛用于计算机系统以节省存储空间或带宽。基于硬件和软件的压缩方案被用来在磁介质上存储数据或通过网络链路发送数据。大量应用的存储器使用轨迹表明主存储器内容可以被压缩到2比1，并且在多数情况下可以压缩得更多。只有少量已经被压缩或加密的应用数据不能进一步被压缩。2比1压缩以相同费用有效倍增了存储器数量，也可以在费用敏感的应用中以1/2的费用提供相同数量的存储器。

主存储器压缩是一种通过对数据访问进行透明，实时，运行时压缩以减少物理存储器需求或扩充物理存储器使用的技术。由于压缩数据块或页面导致的变长记录问题，随机访问压缩数据页面直到最近仍然被认为是不现实的。然而美国专利5729228中描述的并行压缩解压缩算法的进展和硅密度与速度的改进现在使主存储器压缩成为可能。

图1中示出了一个支持基于本发明的主存储器压缩的计算机系统。该系统由一个或多个通过总线101与存储器控制器112通信的CPU构成，其中每个CPU均具有相关的高速缓冲存储器100。压缩存储器体系结构将常规存储器层次提高了一个等级。＂实＂地址和＂物理＂地址被区分开来。实地址104是处理器芯片的外部总线看到的常规存储器地址。物理地址105被用来寻址压缩物理存储器。存储器控制器通常包含/控制一个L3高速缓冲存储器106，CPU将L3高速缓冲存储器看成类似的存储器。存储器控制器还控制I/O设备103寻址。下列术语在本文中可以互换使用：由于压缩增加了有效存储器尺寸，用＂扩充存储器＂表示＂实存储器＂，而＂压缩存储器＂表示这种扩充存储器背后的＂物理存储器＂。

在这种系统中，操作系统管理实存储器空间并且忽略了物理存储器本身。存储器控制器芯片内部的压缩引擎107在存储一条高速缓冲存储器线时压缩这个高速缓冲存储器线并且在加载一条高速缓冲存储器线对其进行解压缩。通过进行实地址-物理地址转换访问被压缩存储在物理存储器102中的各种变长数据记录，上述数据记录处于压缩状态108。我们希望系统，尤其是存储器控制器提供一组允许操作系统监视110物理存储器利用率的利用率寄存器109。可选地，存储器控制器可以具有一组阈值寄存器109，其中可以设置阈值寄存器并且在物理存储器利用率超出阈值时存储器控制器会产生一个中断。

在任意规定时间t在操作系统控制下的数据可压缩度CR(t)确定在不耗尽固定数量物理存储器PM的前提下系统在该时刻可以继续提供多少实存储器RM(t)。标准操作系统通过一组页面帧描述符描述其实存储器。这通常是一个安装号码。在不具有主存储器压缩支持的普通系统中，实存储器等价于物理存储器。然而在具有主存储器压缩支持的系统中，通过下列等式指导存储器管理：

RM(t)＝CR(t)^*PM(Eq－1)

有效实存储器尺寸，即OS为应用和OS专用任务(例如文件系统高速缓冲)提供的页面数量取决于当前压缩比CR(t)，其中可以根据各种应用状态经常改变当前压缩比。

标准操作系统没有根据经常改变的运行时刻状态，即这里的压缩比CR(t)动态调整其实存储器尺寸的装置。由于在存储器内必须始终能够访问页面结构描述符，多数OS在启动时为页面结构描述符分配一个固定编号并且使用这种编号管理存储器。因此，如果用一个固定比率配置系统，则必须保证压缩比不会低于这个固定比率，否则物理存储器会耗尽并且系统会出现故障。

为了充分利用主存储器压缩系统，需要一种在操作系统内部进行有效虚拟存储器管理的方法，该方法根据一个有关规定时间物理存储器利用率的函数动态调整操作系统为其操作准备的扩充实存储器尺寸，使得物理存储器从不会耗尽。换言之，物理存储器利用率应当从不超过100％。

在现有技术中，有若干专利和出版物提出了使用软件压缩技术增加空闲物理存储器可用性而不是进行换页操作的方法。它们与本发明有一定的关系，虽然其系统既不涉及主存储器压缩并且也不会遇到使用主存储器压缩的系统所特有的动态实存储器调整和物理存储器耗尽问题。