cache性能分析报告.docx
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cache性能分析报告
《计算机系统结构课内实验》
实验报告
一、实验目的及要求
1.加深对Cache的基本概念、基本组织结构以及基本工作原理的理解；
2.了解Cache的容量、相联度、块大小对Cache性能的影响；
3.掌握降低Cache失效率的各种方法，以及这些方法对Cache性能提高的好处；
4.理解Cache失效的产生原因以及Cache的三种失效；
5.理解LRU与随机法的基本思想，及它们对Cache性能的影响；
二、实验环境
Vmware虚拟机，redhat9.0linux操作系统，SimpleScalar模拟器
三、实验内容
1.运行SimpleScalar模拟器；
2.在基本配置情况下运行程序（请指明所选的测试程序），统计Cache总失效次数、三种不同种类的失效次数；
3.改变Cache容量（*2，*4，*8，*64），运行程序（指明所选的测试程序），统计各种失效的次数，并分析Cache容量对Cache性能的影响；
4.改变Cache的相联度（1路，2路，4路，8路，64路），运行程序（指明所选的测试程序），统计各种失效的次数，并分析相联度对Cache性能的影响；
5.改变Cache块大小（*2，*4，*8，*64），运行程序（指明所选的测试程序），统计各种失效的次数，并分析Cache块大小对Cache性能的影响；
6.分别采用LRU与随机法，在不同的Cache容量、不同的相联度下，运行程序（指明所选的测试程序）统计Cache总失效次数，计算失效率。
分析不同的替换算法对Cache性能的影响。
四、实验步骤
1、关于simplescalar的简要说明
SimpleScalar包括多个仿真器：
sim-fast,sim－safe,sim-cache,sim-cheetah,sim-profile,sim-bpred,sim-eio和sim-outorder。
本次实验使用的是sim-cache，下面说明一下sim-cache。
sim-cache:
在这个仿真中加入了cache，用户可以对cache及TLB进行设置，支持两级的cache和一级的TLB，第一级cache和TLB均分为数据和指令两部分。
（摘自XX百科）
下面简要说明一下有关cache的信息：
一般来说，Cache的结构参数主要包括以下几个方面：
容量、块大小、相联度、替换算法等。
在SimpleScalar模拟器中，采用了两级Cache结构，同时数据和指令Cache分开。
SimpleScalar的Cache参数配置命令为：
:
:
:
:
：
Cache的名称，其中:
dl1：
一级数据Cache；
dl2：
二级数据Cache；
il1：
一级指令Cache；
il2：
二级指令Cache；
dtlb：
数据TLB；
itlb：
指令TLB；
：
组的数目；
：
块大小；
：
相联度；
：
替换策略。
此时，Cache容量为：
**。
替换策略主要有以下几种：
l：
LRU，最近最少使用；
f：
FIFO，先进先出；
r：
RANDOM，随机策略。
例如：
-cache:
dl1dl1:
2048:
64:
4:
r，表示对一级数据cache进行配置，2048表示有2048组，64表示cache块大小为64byte，4表示相联度为4，r表示替换策略为RANDOM。
在此配置下，一级数据cache的容量为2048*64*4=512KB。
由于SimplescalarSpec2000测试程序在其官方网站不能下载，故使用simplescalar模拟器自带的测试程序以及自己设计的一个程序进行测试。
我们所有的实验内容都是对一级数据cache来进行分析的。
在simplescalar中，我们使用的模拟器是sim-cache。
2、simplescalar模拟器基本配置情况下的运行模拟
1.用安装好的simplescalar中的编译器对test.c进行编译，编译后生成了能够在模拟器中可以运行的可执行文件。
命令行运行界面如下图所示：
2.我们使用simplescalar中的模拟器sim-cache对a.out模拟执行，执行后的界面如下图所示：
3.对运行结果进行分析
从上面的运行结果中我们提取出一级数据cache（dl1）的信息进行分析：
dl1.accesses4420#totalnumberofaccesses一级数据cache上的总访问次数
dl1.hits3963#totalnumberofhits一级数据cache上的命中次数
dl1.misses457#totalnumberofmisses一级数据cache上的失效次数
dl1.replacements201#totalnumberofreplacements一级数据cache上发生替换的次数
dl1.writebacks190#totalnumberofwritebacks一级数据cache上发生写回的次数
dl1.invalidations0#totalnumberofinvalidations一级数据cache上无效访问的次数
dl1.miss_rate0.1034#missrate（i.e.,misses/ref）一级数据cache上的失效率
dl1.repl_rate0.0455#replacementrate（i.e.,repls/ref）一级数据cache上发生替换的概率
dl1.wb_rate0.0430#writebackrate（i.e.,wrbks/ref）一级数据cache上发生写回的概率
dl1.inv_rate0.0000#invalidationrate（i.e.,invs/ref）一级数据cache上发生无效访问的概率
从分析中，我们可以得出，一级数据cache总共的失效次数（dl1.misses）为457次，我们知道容量失效和冲突失效都发生了替换，所以它们的失效次数（dl1.replacements）总共为201次，强制性失效次数为457-201=256次。
一级数据cache的总失效率为0.1034。
3、Cache容量对Cache性能的影响
1.操作说明：
改变simplescalar模拟器中的一级数据cache（dl1）的容量配置，我们通过改变组数来改变它的容量。
与此同时固定块大小为32byte、相联度为2以及替换策略为LRU等参数。
2.运行的界面（截取了部分所需的界面）如下图所示：
容量为2KB（32*32*2*1）时，
容量为4KB（64*32*2*1）时，
容量为8KB（128*32*2*1）时，
容量为64KB（1024*32*2*1）时，
4、Cache相联度对Cache性能的影响
1.操作说明
改变simplescalar模拟器中的一级数据cache的相联度大小。
与此同时固定cache的容量16KB、块大小32byte以及替换策略为LRU等参数。
2.运行的界面（只截取了部分所需的界面）如下图所示：
相联度为1路时，
相联度为2路时，
相联度为4路时，
相联度为8路时，
相联度为64路时，
5、Cache块大小对Cache性能的影响
1.操作说明
改变simplescalar模拟器中的一级数据cache的块大小。
与此同时固定Cache的容量为32KB、相联度为2以及替换策略为LRU等参数。
2.运行的界面（只截取了部分所需的界面）如下图所示：
块大小为8byte时，
块大小为16byte时，
当块大小为32byte时，
当块大小为64byte时，
6、Cache的替换策略对Cache性能的影响
1.操作说明
改变simplescalar模拟器中的一级数据cache的替换策略。
与此同时固定Cache的块大小为32byte、相联度为2。
在Cache容量为2KB、4KB、8KB和64KB的情况下，分别进行测试。
2.运行的界面（只截取了部分所需的界面）如下图所示：
容量为2KB时，使用了LRU替换策略
使用了RANDOM策略
容量为4KB时，使用了LRU替换策略
使用了RANDOM策略
容量为8KB时，使用了LRU策略
使用了RANDOM策略
容量为64KB时，使用了LRU替换策略
使用了RANDOM策略
五、实验结果
1、cache容量对失效率的影响
从面的运行结果中，我们提取所需要的一级数据cache的信息，如下表所示：
cache容量
总的失效次数
总的失效率
容量失效和冲突失效总次数
强制性失效次数
2KB
1395
0.0243
1331
64
4KB
840
0.0146
712
128
8KB
669
0.0116
413
256
64KB
542
0.0094
0
542
从上表，我们可以分析出，随着cache容量的不断增加，程序的失效率不断降低。
容量失效和冲突失效的次数随着cache容量的增加不断地减少，而强制性失效次数则不断地增加。
2、相联度对失效率的影响
从上面的运行结果中，我们提取所需要的一级数据cache的信息，如下表所示：
相联度
总的失效次数
总的失效率
容量失效和冲突失效总次数
强制性失效的次数
1
492
0.0296
83
409
2
492
0.0296
76
416
4
476
0.0286
28
448
8
472
0.0284
10
462
64
470
0.0282
0
470
从上表，我们可以分析得出，随着相联度的增加，程序的失效率逐渐降低，但降低的幅度比较小。
容量失效和冲突失效的次数随着相联度的增加不断地减少，而强制性的失效次数则不断地增加。
3、块大小对失效率的影响
块大小
总的失效次数
总的失效率
容量失效和冲突失效总次数
强制性失效的次数
8byte
2050
0.0039
2
2048
16byte
1061
0.0020
2
1059
32byte
560
0.0011
3
557
64byte
295
0.0006
2
293
从上表，我们可以分析得出，随着块大小的增加，程序的失效率逐渐地降低。
容量失效和冲突失效的次数随着块大小的增加，基本维持在一个稳定的值，而强制性的失效次数则不断地降低，且幅度比较大。
4、替换策略对失效率影响
dl1容量
替换策略
总的失效次数
总的失效率
容量失效和冲突失效总次数
强制性失效的次数
2KB
l
474
0.0453
410
64
2KB
r
484
0.0462
420
64
4KB
l
466
0.0445
338
28
4KB
r
467
0.0446
341
26
8KB
l
465
0.0444
209
256
8KB
r
465
0.0444
233
32
64KB
l
439
0.0419
0
439
64KB
r
439
0.0419
1
438
从上表我们可以分析得出，最近最少使用策略（LRU）相对较好，但它与随机策略在一定的cache容量范围内相差不大。
容量失效和冲突失效次数，使用LRU替换策略的情况下，比较少；而强制性失效次数，使用RANDOM替换策略的情况下，比较少。
六、总结
本实验基于cache的失效率的基本策略，在多种方法中选择探究改变各项指标对性能的影响，在实验中我们发现很多指标的改变并不能如预期中一样改变性能，失效率的降低伴随着硬件开销的增加，时间开销的增加，但并不是一味增加硬件，增加时间就能取得良好的收效，相反，在不同的程序执行过程中呈现出对不同方法的特别的适应性。
通过本次实验，我对cache的失效率的降低方法有了新的认识，同时体会到实验分析对于性能提高的主要性。
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