PCM混合内存系统的自适应动态地址重映射

论文摘要

相位存储器(PCM)具有优良的可扩展性,非常有希望成为未来大规模主存的构成材料。但是它的写寿命比较有限。在应对此问题方面国内外展开了一些研究,包括将对PCM的写均匀分配到所有单元的负载均衡方法和减少对PCM写操作的写减少方法。有研究提出了一种新的混合内存结构,其中PCM作为主存,而DRAM作为PCM的缓存。这种方法能够同时利用DRAM的访问速度快的优点和PCM的大容量优点,是未来基于PCM的存储结构的一个较好选择。DRAM缓存的利用率和命中率高才能减少对PCM的写操作,如果一个恶意的程序通过某种方法产生持续的、从DRAM到PCM的回写,也会快速消耗PCM的寿命。文中展现了一种利用传统组相联缓存结构刻意设计的PCM寿命攻击程序。为了应对此种攻击,我们提出静态随机地址重映射(SRAR)方法,它在PCM物理地址和DRAM高速缓存之间又增加了一层中间地址。中间地址和DRAM缓存之间的关联遵循组相联关系,而物理地址到中间地址之间将执行一个开机时随机确定的重映射过程,从而将物理地址和DRAM之间的映射关系隐藏起来,以对抗基于组相联关系的攻击。采用SRAR方法,当操作系统被劫持后,PCM和DRAM之间的关系依然有可能被外界推测出来。因此我们又提出动态随机地址重映射(DRAR)的方法,在重映射关系需要在线地动态做出改变的时候去改变它。为了减少改变重映射关系时引起的额外PCM写,DRAR将PCM地址空间分成若干区域。DRAM缓存的地址空间也分为与之等量的区域。一个PCM区域和一个DRAM区域构成一个独立的组相联结构。每个区域设有一个计数器,用来记录该区PCM被回写的次数。当计数器的值达到或超过阈值,对该区域的相联结构关系执行重构造。利用PCM回写次数进行判断的方法还存在问题,因为正常程序执行时也会产生PCM回写,当次数达到阀值时可能会产生不必要的重映射。因此我们在DRAR的基础上,进一步提出自适应动态地址重映射(ADRAR)。我们首先分析并指出攻击状态的特征是,在较长一段周期之内,系统保持着较高的回写率。然后根据不同的“周期”基准,我们提出基于进程的攻击检测方法和基于主存的攻击检测方法。在基于进程的攻击检测方法中,我们以一个操作系统时间片为周期来统计回写率,并在20%到100%之间确定适当的回写率阀值。而基于主存的攻击检测方法以主存被访问次数为周期来统计回写率。我们通过实验统计了在不同的周期长度和回写率阀值下攻击程序被漏判的次数和正常程序被误判的次数,得出一个比较优化的主存访问周期值和回写率阀值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 研究现状
• 1.3 研究内容
• 1.4 论文结构
• 2 混合存储结构
• 2.1 结构描述
• 2.2 寿命增强策略
• 2.2.1 延迟写结构
• 2.2.2 Line 级别写
• 2.2.3 细粒度负载均衡
• 2.2.4 写过滤的页级别旁路
• 2.3 本章小结
• 3 静态与动态地址重映射
• 3.1 组相联结构的安全性问题
• 3.2 静态地址重映射
• 3.2.1 表重映射
• 3.2.2 代数重映射
• 3.3 动态地址重映射
• 3.4 实验与结果
• 3.5 重映射的改进和优化
• 3.5.1 动态重映射的额外回写问题
• 3.5.2 迁移重映射
• 3.6 本章小结
• 4 自适应重映射
• 4.1 基于进程的攻击检测
• 4.2 基于主存的攻击检测
• 4.2.1 基本方法
• 4.2.2 攻击特征参数
• 4.2.3 实验与结果
• 4.2.4 额外开销分析
• 4.2.5 改进措施
• 4.3 本章小结
• 5 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文