一种新的图像置乱算法

一种MRAM仿真系统的设计实现 吴非1,2  朱铭1    黄海涛1 1华中科技大学光电国家实验室，武汉 430074 2信息存储教育部重点实验室，武汉 430074 (wufei@mail.hust.edu.cn) Design and Implementation of an MRAM Simulator Wu Fei1,2    Zhu Ming1  Huang Haitao1 1 (Wuhan National Laboratory for Optoelectronics, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074) 2 (Key Laboratory of Data Storage Systems, Ministry of Education of China, Wuhan 430074) Abstract With the rapid development of computer technology, the requirements of high density, high read and write speed, high efficiency, high reliability are raised for main memory. In such a situation, the defects of the traditional memory are gradually exposed. A new generation of memory is needed in order to adapt to the development and requirement of technology. MRAM is termed for Magnetic Random Access Memory. MRAM has the advantages of high read and write speed like SRAM, high integration density like DRAM and nonvolatile property like flash memory. MRAM has a good performance compared with traditional memory. In order to study the performance of MRAM as main memory, and the possibility to be an alternative for DRAM memory, an MRAM simulator, composed of trace generator, MRAM controller and MRAM memory is designed and implemented according to the characteristics of MRAM. MRAM simulator receives read and write requests from CPU, schedules them according to the address mapping policy, completes them on MRAM cells. Finally the statistical results of the simulator are analyzed. The results of MRAM simulator show that, taking advantage of MRAM, good response time and bandwidth can be achieved when MRAM is used as main memory. It can be expected that MRAM will become an ideal substitute of the memory. Key words Magnetic Random Access Memory; Non Volatile; Address Mapping; Simulator 摘要  计算机科学技术日新月异的发展，对存储器的集成度、读写速度、可靠性等方面提出了更高的要求。在这种形势下，一些传统存储器的缺陷逐步暴露出来，需要新一代存储器适应技术的发展和要求。MRAM是磁阻式随机访问存储器(Magnetic Random Access Memory)的简称。与传统的存储器相比，MRAM具有更好的性能，它同时具备SRAM的高速读写性能、DRAM的高集成度与Flash存储器的非易失性等优点。为了研究MRAM用作主存时的各项性能，进一步探究MRAM作为DRAM主存替代品的可能性，根据MRAM的原理以及特点，设计并实现了一个MRAM仿真系统，由trace发生器、MRAM控制器和MRAM存储体三部分组成。MRAM仿真系统接收来自处理器(CPU)对主存的读写请求，并根据设计的地址映射算法，对请求进行调度，完成对MRAM存储器的读写请求。最终对仿真结果进行 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 ，测试结果表明，用MRAM做主存能够发挥出MRAM的优势，获得良好的请求响应时间、请求带宽等性能。可以期待MRAM将成为一种理想的主存替代品。 关键词 磁阻式随机访问存储器；非易失性；地址映射；仿真系统 中图法分类号 TP333 伴随着计算机科学技术的高速发展，存储技术方面的发展也是日新月异。进入二十一世纪以后，信息化进程脚步加快，全球的数据量以惊人的速度在不断增长，对存储技术提出了巨大的挑战。 传统的存储技术，比如Flash、SRAM和DRAM等，在过去的几十年里发展迅速，并发挥了存储的核心作用。但是计算机科学技术日新月异的发展，在集成度、读写速度、可靠性等方面对存储器提出了更高的要求。传统存储器在材质和技术方面的缺陷，使得它们在适应高要求时的局限性越来越明显。比如，SRAM存储器在技术上有能量泄露的缺陷；而DRAM存储器因为刷新操作和数据保持等一些原因，功耗比较高；Flash类的存储器有擦除次数有限，使用寿命较短，随着使用稳定性会下降等缺点。 半导体厂商积极开发新一代存储器技术，以应对这种半导体存储器的上述局面。在非易失性存储器市场中，目前最有前途的有这几种：FRAM、MRAM 和 PCM。其中，MRAM利用磁性隧道结的电阻变化表示存储状态，是一种非挥发性的磁性随机存储器。相比于其他主存储器，MRAM具有很多优势。MRAM的存储单元尺寸可以做到很小，能够达到DRAM的高集成度，又具有SRAM的理想读写速度，同时因自身磁化特性使得它能够被无限次地重复写入，此外还具有非易失性、可扩展性、极高的可靠性[1]、寿命长、容量大、低能耗等众多优秀特点。这些优秀的特点使得MRAM具备很大的市场前景。随着MRAM技术的快速发展，在未来的发展中，MRAM将成为主要的存储产品。 为了对主存储器进行全方面的研究分析，很多研究人员借助于主存仿真系统，国内外都有不少成熟的研究成果。2011年，马里兰大学的Paul Rosenfeld等人提出并实现一种时钟精确的DRAM内存仿真仿真系统DRAMSim2[2]；2012年，宾夕法尼亚州立大学的Matt Poremba等人提出并设计实现了一种非易失性主存储器仿真系统NVMain[3]。 本文为了研究MRAM用作主存时的各项性能，进一步探究MRAM作为DRAM主存替代品的可能性，设计并实现了一种MRAM仿真系统，完成了对整个请求处理过程的模拟，从地址映射 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 和命令队列深度两个方面对MRAM仿真系统进行测试，给出模拟过程中的关键参数指标统计结果，并做性能分析。 本文后续部分按如下方式安排：第1节介绍MRAM基本工作原理；第2节给出MRAM仿真系统的设计与实现方案，对核心模块进行详细说明；第3节介绍MRAM仿真系统中采用的四种地址映射算法；第4节从两个方面对MRAM仿真系统进行测试并分析；第5节总结全文。 1. MRAM基本原理 MRAM是磁性随机存储器(Magnetic Random Access Memory)的简称。MRAM的核心是磁性隧道结MTJ(Magnetic Tunnel Junction)，它的基本结构如图1所示。MTJ具有一种磁化特征，只要不改变外在的磁场，存储介质的磁化特性就不会变，MRAM正是利用这种磁化特征来存储数据。MRAM在断电之后保存的数据不变，具有非挥发性。 图1 MTJ结构原理 Fig.1 The structure of MTJ 隧穿磁阻效应(TMR：Tunneling Magneto-resistance)和自旋转移矩效应(STT: spin-transfer torque)被发现后，应用到MRAM存储单元上，使得MRAM技术得到了极大的发展。 TMR效应克服了早期AMR效应和GMR效应的缺点。相对于GMR技术[4][5]，MRAM使用TMR后，不仅避免会降低速度的重复读取，还可以减小芯片的体积[6][7][8]。 SST效应利用流过 MTJ 结构中不同的自旋极化电流，改变铁磁体薄膜磁化方向，进而完成写入功能。基于这种写入方式的磁随机存储器，也就是第二代磁随机存储器-自旋转移力矩磁随机存储(STT-MRAM：Spin Transfer Torque MRAM) [9][10]。它不再需要外加磁场，而是直接依靠电流改变铁磁性薄膜磁化方向[11][12]。与第一代MRAM相比，STT-MRAM的结构更加简单，存储集成度较高。写入功耗也大大降低，同时避免了相邻 MTJ 存储单元的互相影响。正是因为这些优良特性，STT-MRAM 是目前 MRAM研究和发展的主流。 2. MRAM仿真系统设计与实现 MRAM作为一种新兴的主存储器，它的优良特性将使其具备很好的应用前景。MRAM仿真系统目的是在存储架构层面，通过完整的模拟环境来辅助研究MRAM的特性，帮助研究人员设计出更好的控制器结构和MRAM存储体组织结构，让MRAM能够合理高效地工作。 2.1 系统设计 MRAM仿真系统总体架构如图2所示： 图2 MRAM仿真系统架构 Fig.2 The architecture of MRAM simulator 1）CPU仿真。该模块通过使用trace发生器产生CPU请求信息，发送请求信息给MRAM控制器模块进行处理。 2）MRAM控制器。该模块是MRAM仿真系统的核心部分。主要接收CPU仿真模块发送过来的请求，然后经过合理的缓存和调度、地址映射，将请求转化为MRAM命令格式，以高效的方式发送到MRAM存储体上。响应MRAM存储体所完成的请求，并将结果反馈给CPU，同时统计整个运行过程中的数据详细信息。 3）MRAM存储体。该模块定义了MRAM存储体芯片的组织方式。MRAM存储体通过数据总线接收到来自MRAM控制器的MRAM命令，当命令执行完成后，再向MRAM控制器返回执行完成的命令信息。 图3模块功能 Fig.3 The module function MRAM仿真系统的各个功能模块设计如图3所示，下面介绍三个核心模块的设计与实现。 2.2 CPU仿真模块 对内存的请求来自于处理器(CPU)，在该仿真系统中，使用trace发生器产生的trace对CPU请求进行仿真。trace发生器产生的trace格式如图4所示。 图4 trace请求格式 Fig.4 The query format of trace 在MRAM仿真系统运行过程中，trace发生器产生若干条这样的请求。每一条请求都将在合适的时钟周期被MRAM控制器接收，进行下一步处理。 对于时钟周期的模拟，本文使用了一种简单的方式，程序在循环运行的过程中，一次循环表示时间上消耗一个时钟周期。 2.3 MRAM控制器模块 MRAM控制器模块结构可从图3获知，主体由4个部分组成：trace请求队列、MRAM命令队列、MRAM状态表和数据统计。下面详细介绍这4个部分。 2.3.1 trace请求队列