相变存储器(PCM)作为一种新兴的存储设备,逐渐成为在大规模内存系统中具有潜力的DRAM替代。最近,一种DRAM+PCM的混合型内存系统架构逐渐受到研究人员的重视。在这种体系结构中,PCM作为主存,DRAM作为PCM的缓存,它结合了PCM的高容量以及DRAM快速访问特点,因此被认为具有良好的发展前景。对于PCM来说最大的缺陷是其写入次数有限。为了提高PCM寿命,目前的研究工作主要集中在均匀分布PCM写请求上,本文认为,在混合型内存系统中,好的缓存机制能够减少对于PCM主存的回写,而均匀分布PCM写请求的方法依然适用。然而,这种缓存机制也带来了安全隐患,恶意程序能够在短时间内迫使DRAM缓存产生大量针对PCM主存某局部存储单元的回写,从而加速PCM寿命的耗尽。本文描述了一种利用传统组关联映射缓存(set associative cache)的特性来进行的恶意攻击,它针对缓存中的某个特定组(set)进行攻击,使得该组产生大量PCM回写请求。为了解决上述问题,本文提出了一种随机地址重映射(RAR)的方法,它能够隐藏DRAM缓存与PCM主存的关联,并将针对同一个组的攻击写请求均匀随机的分散到缓存的多个组当中,从而大大减少PCM的写次数。文中根据不同情况描述了静态随机地址重映射(SRAR)和动态随机地址重映射(DRAR)两种方法。上述方法的有效性需要得到验证,而在PCM及混合型内存尚未得到应用的情况下,系统仿真是一种行之有效的方法。M5是一种开源的,模块化的,被学术界广泛采用的权威性全系统仿真平台。本文在M5的基础上进行扩展,实现了混合型内存系统及随机地址重映射方法,并在此体系结构下以SPECCINT2006为基准测试程序与恶意攻击程序一起进行了测试。实验结果表明,在平均情况下,随机地址重映射仅仅降低了基准测试程序不超过0.15%的缓存命中率,同时,也只提高了不超过1%的缓存写请求失效率。而对于恶意攻击程序,随机地址重映射起到了良好的抵抗作用,能够将DRAM缓存局部失效率从100%降到0.02%,当满足一定缓存配置时,甚至能够把特定的恶意攻击程序造成的缓存写请求失效率从48.45%降至0。
