[发明专利]一种基于MLC STT-RAM的能耗特性的缓存替换方法及设备

说明书

本发明公开了一种基于MLC STR‑RAM的能耗特性的缓存替换方法及设备，属于计算机存储技术领域，MLC STT‑RAM作为系统主存，方法包括：在末级缓存中发生缓存替换时，根据预设的N种缓存替换算法分别计算末级缓存中各缓存块的N个指标，分别记为对应缓存块的第一个指标、第二个指标……第N个指标，并分别预估各缓存块中的数据下刷回主存产生的回写能耗，作为对应缓存块的第N+1个指标；对各缓存块的N+1个指标进行综合评判，以选取被淘汰的缓存块，作为目标缓存块；其中，N为大于等于1的整数；N种缓存替换算法中，各缓存替换算法均根据单一的指标选取被淘汰的缓存块，且不同缓存替换算法的指标不同。本发明能够有效减少MLC STT‑RAM主存的回写能耗。

技术领域

本发明属于计算机存储技术领域，更具体地，涉及一种基于MLC STT-RAM的能耗特性的缓存替换方法及设备。

背景技术

随着大规模内存计算的高速发展，动态随机存储器(DRAM，Dynamic Random-Access Memory)作为最广泛使用的主存类型，因其存储密度小、可扩展性有限、反复刷新带来巨大功耗等缺点，已无法满足一些实时系统和高性能系统对设备面积、性能和能耗的需求。并且能耗一直是个不容忽视的问题，主流的芯片制造商也纷纷推出了低能耗芯片技术。

MLC STT-RAM(Multi-Level CellSpin Transfer Torque RAM，多级单元自旋转移力矩磁随机存储器)由于它的高密度，零刷新功耗，读写速度快成为DRAM最有潜力的替代品，利用MLC STT-RAM来取代DRAM作为主存，从而减少处理器和主存之间数据移动开销成为一项值得关注的存储技术热点。传统的DRAM用作主存的系统配置如图1中的(a)所示，在该主存-缓存架构中，由低到高依次是一级缓存、二级缓存、三级缓存、主存，最后一级缓存(LLC，LastLevelCache)会与主存进行数据交换，具体地，当访问地址A的请求在LLC发生缓存缺失，并且LLC没有空闲块(被标记为可用的块)，根据缓存替换策略在LLC寻找一个目标缓存块淘汰，若该缓存块为脏块，写回到主存，并标记块可用，否则，直接标记块可用，然后去主存中寻找数据命中并写入根据替换算法选取的目标块位置，最后返回地址A的数据，整个访问流程结束。在基于DRAM的主存中，常用的缓存替换算法包括LRU(Least RecentlyUsed，最近最少使用)算法、LFU(Least Frequently Used，最不经常使用)算法等。

原有面向DRAM作为主存设计的缓存替换算法在基于MLC STT-RAM的主存中就不适用了，这是由于在基于DRAM的主存中，根据缓存替换策略被驱逐的数据从LLC刷新到主存时具有固定的内存能耗，所以在设计缓存替换策略时并不需要考虑内存的写入能耗问题，但是内存能耗的一大主要来源是数据的刷新，而MLC STT-RAM存在非对称写能耗特性和由两步转换引起的高写能耗问题，这使得将前面向DRAM设计的缓存替换策略应用于基于MLCSTT-RAM的主存时，往往会带来严重的写能耗问题。

发明内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种基于MLC STT-RAM的能耗特性的缓存替换方法及设备，其目的在于，减少主存的回写能耗。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于MLC STT-RAM的能耗特性的缓存替换方法，MLC STT-RAM作为系统主存，方法包括：

在末级缓存中发生缓存替换时，根据预设的N种缓存替换算法分别计算末级缓存中各缓存块的N个指标，分别记为对应缓存块的第一个指标、第二个指标……第N个指标，并分别预估各缓存块中的数据下刷回主存产生的回写能耗，作为对应缓存块的第N+1个指标；

对各缓存块的N+1个指标进行综合评判，以选取被淘汰的缓存块，作为目标缓存块；

其中，N为大于等于1的整数；N种缓存替换算法中，各缓存替换算法均根据单一的指标选取被淘汰的缓存块，且不同缓存替换算法的指标不同。