cache性能分析实验报告.docx

cache性能分析实验报告.docx

《cache性能分析实验报告.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《cache性能分析实验报告.docx（16页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

cache性能分析实验报告

计算机系统结构实验报告

名称：

Cache性能分析

学院：

信息工程

姓名：

学号：

S121055

专业：

计算机系统结构

年级：

实验目的

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；

实验平台

Vmware虚拟机，redhat9.0linux操作系统，SimpleScalar模拟器

实验步骤

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。

预备知识

1.SimpleScalar模拟器的相关知识。

详见相关的文档。

2.复习和掌握教材中相应的内容

（1）可以从三个方面改进Cache的性能：

降低失效率、减少失效开销、减少Cache命中时间。

（2）按照产生失效的原因不同，可以把Cache失效分为三类：

①强制性失效（Compulsorymiss）

当第一次访问一个块时，该块不在Cache中，需从下一级存储器中调入Cache，这就是强制性失效。

这种失效也称为冷启动失效或首次访问失效。

②容量失效（Capacitymiss）

如果程序执行时所需的块不能全部调入Cache中，则当某些块被替换后，若又重新被访问，就会发生失效。

这种失效称为容量失效。

③冲突失效（Conflictmiss）

在组相联或直接映象Cache中，若太多的块映象到同一组（块）中，则会出现该组中某个块被别的块替换（即使别的组或块有空闲位置），然后又被重新访问的情况。

这就是发生了冲突失效。

这种失效也称为碰撞失效（collision）或干扰失效（interference）。

（3）降低Cache失效率的方法：

增加Cache块大小、提高相联度、VictimCache、伪相联Cache、硬件预取技术、由编译器控制的预取和编译器优化。

（4）替换算法

①随机法：

为了均匀使用一组中的各块，这种方法随机地选择被替换的块。

②最近最少使用法LRU（LeastRecentlyUsed）：

选择近期最少被访问的块作为被替换的块。

但由于实现比较困难，现在实际上实现的LRU都只是选择最久没有被访问过的块作为被替换的块。

实验内容

一关于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。

自带的测试程序是在/root/simplescalar/simplesim-3.0/tests-pisa/bin.little目录下的test-math，test-fmath，test-llong以及test-printf。

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。

二simplescalar模拟器基本配置情况下的运行模拟

在基本的配置情况下运行自己设计的程序，代码如下：

#include

Main（）

{

printf（“helloworld!

\n”）;

return0;

}

1.编辑好程序后，将其保存在/root/simplescalar文件夹下，文件命名为hello.c，用安装好的simplescalar中的编译器sslittle-na-sstrix-gcc（它的访问目录为/root/simplescalar/bin/sslittle-na-sstrix-gcc）对其进行编译，编译后生成了能够在模拟器中可以运行的可执行文件a.out。

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：

说明：

下面的截取的界面是一个完整的界面，限于完整的界面太大，在后面的实验内容的三、四、五、六部分只截取了我们需要的部分界面。

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。

三Cache容量对Cache性能的影响

1.操作说明：

（1）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）测试的程序是simplescalar自带的测试程序test-math。

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，

3.运行结果分析

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：

dd1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。

四Cache相联度对Cache性能的影响

1.操作说明

（1）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）测试的程序是simplescalar自带的测试程序test-fmath。

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，

3．运行结果分析

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：

dl1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