Page 104 - 《软件学报》2020年第9期

许瑞 等:面向多读/写头磁畴壁存储器的优化研究 2725

实验结果表明:本文所提出的 ILP 模型和 GISDP 算法,分别能够生成最优和近似最优的指令调度与数据放
置方案.与简单指令调度和数据放置(simple instruction scheduling and data placement,简称 SSDP)算法和 Chen 等
人 [20] 提出在固定调度的情况下对数据进行分组放置的 S-DBC-P 算法相比,在配备 2 个读/写头的 DWM 上的实
验结果表明:GISDP 相对于 SSDP,移动次数平均减少了 86.7%;GISDP 相对于 S-DBC-P,移动次数平均减少了
79.6%;ILP 模型在 12 小时内求出的局部最优解,相较于 SSDP 算法,移动次数平均减少了 75.0%;相较于 S-DBC-P
算法,移动次数平均减少了 61.8%.在配备 4 个读/写头的 DWM 上的实验结果表明:GISDP 相对于 SSDP,移动次
数平均减少了 93.7%;GISDP 相对于 S-DBC-P,移动次数平均减少了 80.7%;ILP 模型在 12 小时内求出的局部最
优解,相较于 SSDP 算法,移动次数平均减少了 82.6.0%;相较于 S-DBC-P 算法,移动次数平均减少了 46.3%.在配
备 8 个读/写头的 DWM 上的实验结果表明: GISDP 相对于 SSDP,移动次数平均减少了 97.3%;GISDP 相对于
S-DBC-P,移动次数平均减少了 85.6%;ILP 模型相较于 SSDP 算法移动次数平均减少了 94.8%;相较于 S-DBC-P
算法移动次数平均减少了 75.6%.并且 GISDP 算法的结果接近于 ILP 模型的最优解.
本文第 1 节介绍对磁畴壁存储器性能改进的相关工作.在第 2 节中,先对本文目标系统架构进行介绍,再对
本文所解决的问题进行定义.第 3 节通过一个示例阐述论文提出的相关算法.第 4 节提出了 ILP 模型与启发式
算法.第 5 节展示实验结果并对实验结果进行分析.第 6 节对文章进行总结.

1 相关工作

在已有的工作中,有很多对磁畴壁存储器进行性能提升的研究.他们有从硬件层次对磁畴壁存储器进行改
进,也有从软件层次对磁畴壁存储器性能进行提升.
对于硬件层次的优化,在文献[14]中,作者提出了一种电路架构协同设计方案,针对读取数据进行了优化,并
提出一种新的缓存组织和管理策略.文献[21]研究了位元布局、磁头定位、纳米线利用率、移动功率、移动延
时等电路设计难题,并提出了相应的解决方案.文献[22]使用斯格明子赛道存储器错位存储单元进行了非易失
性存储器计算框架的研究与改进.文献[23]通过改变两个重金属衬底的相对厚度来调整电流驱动的畴壁运动.
已有一些在磁畴壁存储器及其他 NVM 上对指令进行调度以及对数据进行分配的研究工作 [8,11,24,25] .在文
献[24]中,Hu 等人讨论了在混合 SPM 的 NVM/SRAM 上的动态数据分配算法.在文献[11]中,Chen 等人提出了在
配备多个读/写头的磁畴壁存储器上数据分配的优化技术,但是他们没有考虑同时优化指令调度.文献[8]使用遗
传算法对在磁畴壁存储器上的数据进行分配,比较适用于不同访问特性数据集.但是遗传算法在时间上会计算
较久,所以对于实时系统不是很适用.在文献[25]中,Gu 等人提出了一种软硬件协同优化方法,以提高应用专用
嵌入式系统中磁畴壁存储器的面积效率和性能.但是他们只是针对一个读/写头进行研究,磁畴壁存储器可以具
有多个读/写头,并且一定的读/写头数量会对磁畴壁存储器的性能提升有所帮助.
本文针对数据密集型应用,面向配备多个读/写头的磁畴壁存储器的单核处理器系统,研究最优指令调度与
数据放置方案来获得最少的移动操作次数,以提升磁畴壁存储器的存储访问性能,进而提升系统性能.

2 架构与问题定义

2.1 架 构

本文的目标系统架构是配备基于赛道存储技术的磁畴壁存储器的单核处理器系统.磁畴壁存储器用作便
笺式存储器,可以由软件进行管理.磁畴壁存储器是一种非易失性存储器,它可以用比较低的功耗进行对数据的
高速读取.读/写数据的原理是:利用磁畴壁中自旋极化电流与电子磁矩之间的相互作用,由磁畴中磁矩的改变
来记录数据位.当要进行读写数据时,根据移动控制器产生的移动信号,电流驱动磁畴壁存储器中所存储的数据
整体移动,使得要访问的数据与读/写头对齐,以便数据可以被读/写头进行读写.
在磁畴壁存储器中,数据(即磁畴中的磁矩)存储于磁性介质中.由于在该存储器中,数据的移动类似于磁带
的移动,均是数据去找读写磁头进行数据访问,区别是磁畴壁存储器是数据进行移动,磁带是存储数据的介质进