随着计算机应用技术的发展,动态随机访问存储器因功耗和工艺限制,已经无法满足应用越来越大的内存需求。异构内存系统同时利用非易失性存储器大容量优势和动态随机访问存储器低访问时延、低写能耗、寿命长的特征来满足应用大内存需求并提升系统性能,为促进计算机应用的发展带来了新契机。当前异构内存系统主要采用按需的数据缓存机制,但这种缓存机制没考虑非易失性存储器读写性能不对称特征且存在硬件复杂度高、存储开销大、可扩展性有限、缓存利用效率低等挑战,并不适用于异构内存系统。软硬件协同管理的异构内存系统(HSCC)实现了基于效用的数据缓存机制,该机制仅将非易失性内存中的热页取入动态随机访问存储器构成的缓存中,解决了缓存污染问题。为了进一步提升缓存利用效率,HSCC在基于效用的数据缓存机制基础上提出基于爬山算法的缓存阈值动态调整策略和基于多级队列算法的内存页面热度监测策略:前者使用爬山算法动态调整缓存阈值,保证系统充分利用缓存的同时尽量减少缓存回收造成的性能开销;后者使用多级队列算法更新页面热度信息,提升了内存页面热度监测的准确度。此外,HSCC在页表和TLB中建立主存到缓存的映射,消除了复杂的硬件开销和巨大的存储开销,将基于效用的数据缓存机制的实现提升到软件层次,增强了系统可扩展性。实验结果表明,相较于采用按需数据缓存机制的传统异构内存系统,HSCC在性能、能耗以及系统开销等方面都表现出很大优势,性能平均提升65.7%,能耗效率提升0.432倍,性能开销降低42.72%。此外,HSCC还通过减少对非易失性内存的写次数延长了系统寿命。