cache性能分析實驗報告.docx

計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實驗報告名 稱： Cache性能分析學(xué) 院： 信息工程姓 名： 陳 明學(xué) 號： S121055專 業(yè)： 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)年 級： 研 一實驗?zāi)康?. 加深對Cache的基本概念、基本組織結(jié)構(gòu)以及基本工作原理的理解；2. 了解Cache的容量、相聯(lián)度、塊大小對Cache性能的影響；3. 掌握降低Cache失效率的各種方法，以及這些方法對Cache性能提高的好處；4. 理解Cache失效的產(chǎn)生原因以及Cache的三種失效；5. 理解LRU與隨機法的基本思想，及它們對Cache性能的影響；實驗平臺Vmware 虛擬機，redhat 9.0 linux 操作系統(tǒng)，SimpleScalar模擬器實驗步驟1. 運行SimpleScalar模擬器；2. 在基本配置情況下運行程序（請指明所選的測試程序），統(tǒng)計Cache總失效次數(shù)、三種不同種類的失效次數(shù)；3. 改變Cache容量（*2，*4，*8，*64），運行程序（指明所選的測試程序），統(tǒng)計各種失效的次數(shù)，并分析Cache容量對Cache性能的影響；4. 改變Cache的相聯(lián)度（1路，2路，4路，8路，64路），運行程序（指明所選的測試程序），統(tǒng)計各種失效的次數(shù)，并分析相聯(lián)度對Cache性能的影響；5. 改變Cache塊大小（*2，*4，*8，*64），運行程序（指明所選的測試程序），統(tǒng)計各種失效的次數(shù)，并分析Cache塊大小對Cache性能的影響；6. 分別采用LRU與隨機法，在不同的Cache容量、不同的相聯(lián)度下，運行程序（指明所選的測試程序）統(tǒng)計Cache總失效次數(shù)，計算失效率。分析不同的替換算法對Cache性能的影響。預(yù)備知識1. SimpleScalar模擬器的相關(guān)知識。詳見相關(guān)的文檔。2. 復(fù)習(xí)和掌握教材中相應(yīng)的內(nèi)容（1） 可以從三個方面改進Cache的性能：降低失效率、減少失效開銷、減少Cache命中時間。（2） 按照產(chǎn)生失效的原因不同，可以把Cache失效分為三類： 強制性失效（Compulsory miss）當(dāng)?shù)谝淮卧L問一個塊時，該塊不在Cache中，需從下一級存儲器中調(diào)入Cache，這就是強制性失效。這種失效也稱為冷啟動失效或首次訪問失效。 容量失效（Capacity miss）如果程序執(zhí)行時所需的塊不能全部調(diào)入Cache中，則當(dāng)某些塊被替換后，若又重新被訪問，就會發(fā)生失效。這種失效稱為容量失效。 沖突失效（Conflict miss）在組相聯(lián)或直接映象Cache中，若太多的塊映象到同一組（塊）中，則會出現(xiàn)該組中某個塊被別的塊替換（即使別的組或塊有空閑位置），然后又被重新訪問的情況。這就是發(fā)生了沖突失效。這種失效也稱為碰撞失效（collision）或干擾失效（interference）。（3） 降低Cache失效率的方法：增加Cache塊大小、提高相聯(lián)度、Victim Cache、偽相聯(lián)Cache、硬件預(yù)取技術(shù)、由編譯器控制的預(yù)取和編譯器優(yōu)化。（4） 替換算法 隨機法：為了均勻使用一組中的各塊，這種方法隨機地選擇被替換的塊。 最近最少使用法LRU（Least Recently Used）：選擇近期最少被訪問的塊作為被替換的塊。但由于實現(xiàn)比較困難，現(xiàn)在實際上實現(xiàn)的LRU都只是選擇最久沒有被訪問過的塊作為被替換的塊。實驗內(nèi)容一 關(guān)于simplescalar的簡要說明SimpleScalar包括多個仿真器：sim-fast ,simsafe,sim-cache,sim-cheetah,sim-profile,sim-bpred,sim-eio和sim-outorder。 本次實驗使用的是sim-cache，下面說明一下sim-cache。sim-cache: 在這個仿真中加入了cache，用戶可以對cache及TLB 進行設(shè)置，支持兩級的cache和一級的TLB，第一級cache和TLB均分為數(shù)據(jù)和指令兩部分。（摘自百度百科）下面簡要說明一下有關(guān)cache的信息：一般來說，Cache的結(jié)構(gòu)參數(shù)主要包括以下幾個方面：容量、塊大小、相聯(lián)度、替換算法等。在SimpleScalar模擬器中，采用了兩級Cache結(jié)構(gòu)，同時數(shù)據(jù)和指令Cache分開。SimpleScalar的Cache參數(shù)配置命令為：: ：Cache的名稱，其中:dl1：一級數(shù)據(jù)Cache；dl2：二級數(shù)據(jù)Cache；il1：一級指令Cache；il2：二級指令Cache；dtlb：數(shù)據(jù)TLB；itlb：指令TLB； ： 組的數(shù)目；：塊大??； ：相聯(lián)度； ：替換策略。此時，Cache容量為：*。替換策略主要有以下幾種： l ：LRU，最近最少使用； f ： FIFO，先進先出； r ： RANDOM，隨機策略。例如：-cache:dl1 dl1:2048:64:4:r，表示對一級數(shù)據(jù)cache進行配置，2048表示有2048組，64表示cache塊大小為64byte，4表示相聯(lián)度為4，r表示替換策略為RANDOM。在此配置下，一級數(shù)據(jù)cache的容量為2048*64*4=512KB。由于Simplescalar Spec2000測試程序在其官方網(wǎng)站不能下載，故使用simplescalar模擬器自帶的測試程序以及自己設(shè)計的一個程序進行測試。自帶的測試程序是在 /root/simplescalar/simplesim-3.0/tests-pisa/bin.little目錄下的test-math，test-fmath，test-llong以及test-printf。我們所有的實驗內(nèi)容都是對一級數(shù)據(jù)cache來進行分析的。在simplescalar中，我們使用的模擬器是sim-cache。二 simplescalar模擬器基本配置情況下的運行模擬在基本的配置情況下運行自己設(shè)計的程序，代碼如下：#includeMain()printf(“hello world!n”);return 0;1.編輯好程序后，將其保存在/root/simplescalar文件夾下，文件命名為hello.c，用安裝好的simplescalar中的編譯器sslittle-na-sstrix-gcc（它的訪問目錄為/root/simplescalar/bin/sslittle-na-sstrix-gcc）對其進行編譯，編譯后生成了能夠在模擬器中可以運行的可執(zhí)行文件a.out。命令行運行界面如下圖所示：2.我們使用simplescalar中的模擬器sim-cache對a.out模擬執(zhí)行，執(zhí)行后的界面如下圖所示：說明：下面的截取的界面是一個完整的界面，限于完整的界面太大，在后面的實驗內(nèi)容的三、四、五、六部分只截取了我們需要的部分界面。3.對運行結(jié)果進行分析從上面的運行結(jié)果中我們提取出一級數(shù)據(jù)cache（dl1）的信息進行分析：dl1.accesses 4420 # total number of accesses 一級數(shù)據(jù)cache上的總訪問次數(shù)dl1.hits 3963 # total number of hits 一級數(shù)據(jù)cache上的命中次數(shù)dl1.misses 457 # total number of misses 一級數(shù)據(jù)cache上的失效次數(shù)dl1.replacements 201 # total number of replacements一級數(shù)據(jù)cache上發(fā)生替換的次數(shù)dl1.writebacks 190 # total number of writebacks一級數(shù)據(jù)cache上發(fā)生寫回的次數(shù)dl1.invalidations 0 # total number of invalidations一級數(shù)據(jù)cache上無效訪問的次數(shù)dl1.miss_rate 0.1034 # miss rate (i.e., misses/ref) 一級數(shù)據(jù)cache上的失效率dl1.repl_rate 0.0455 # replacement rate (i.e., repls/ref) 一級數(shù)據(jù)cache上發(fā)生替換的概率dl1.wb_rate 0.0430 # writeback rate (i.e., wrbks/ref) 一級數(shù)據(jù)cache上發(fā)生寫回的概率dl1.inv_rate 0.0000 # invalidation rate (i.e., invs/ref) 一級數(shù)據(jù)cache上發(fā)生無效訪問的概率從分析中，我們可以得出，一級數(shù)據(jù)cache總共的失效次數(shù)（dl1.misses）為457次，我們知道容量失效和沖突失效都發(fā)生了替換，所以它們的失效次數(shù)（dl1.replacements）總共為201次，強制性失效次數(shù)為457-201=256次。一級數(shù)據(jù)cache的總失效率為0.1034。三 Cache容量對Cache性能的影響1. 操作說明：（1） 改變simplescalar模擬器中的一級數(shù)據(jù)cache（dl1）的容量配置，我們通過改變組數(shù)來改變它的容量。與此同時固定塊大小為32byte、相聯(lián)度為2以及替換策略為LRU等參數(shù)。（2） 測試的程序是simplescalar自帶的測試程序test-math。2. 運行的界面（截取了部分所需的界面）如下圖所示：容量為2KB（32*32*2*1）時，容量為4KB（64*32*2*1）時，容量為8KB（128*32*2*1）時，容量為64KB（1024*32*2*1）時，3. 運行結(jié)果分析從面的運行結(jié)果中，我們提取所需要的一級數(shù)據(jù)cache的信息，如下表所示：dd1容量總的失效次數(shù)總的失效率容量失效和沖突失效總次數(shù)強制性失效次數(shù)2KB13950.02431331644KB8400.01467121288KB6690.011641325664KB5420.00940542從上表，我們可以分析出，隨著cache容量的不斷增加，程序的失效率不斷降低。容量失效和沖突失效的次數(shù)隨著cache容量的增加不斷地減少，而強制性失效次數(shù)則不斷地增加。四 Cache相聯(lián)度對Cache性能的影響1. 操作說明（1） 改變simplescalar模擬器中的一級數(shù)據(jù)cache的相聯(lián)度大小。與此同時固定cache的容量16KB、塊大小32byte以及替換策略為LRU等參數(shù)。（2） 測試的程序是simplescalar自帶的測試程序test-fmath。2. 運行的界面（只截取了部分所需的界面）如下圖所示：相聯(lián)度為1路時，相聯(lián)度為2路時，相聯(lián)度為4路時，相聯(lián)度為8路時，相聯(lián)度為64路時，3 運行結(jié)果分析從上面的運行結(jié)果中，我們提取所需要的一級數(shù)據(jù)cache的信息，如下表所示：dl1相聯(lián)度總的失效次數(shù)總的失效率容量失效和沖突失效總次數(shù)強制性失效的次數(shù)14920.02968340924920.02967641644760.02862844884720.028410462644700.02820470從上表，我們可以分析得出，隨著相聯(lián)度的增加，程序的失效率逐漸降低，但降低的幅度比較小。容量失效和沖突失效的次數(shù)隨著相聯(lián)度的增加不斷地減少，而強制性的失效次數(shù)則不斷地增加。五 Cache塊大小對Cache性能的影響1. 操作說明（1） 改變simplescalar模擬器中的一級數(shù)據(jù)cache的塊大小。與此同時固定Cache的容量為32KB、相聯(lián)度為2以及替換策略為LRU等參數(shù)。（2） 測試的程序是simplescalar自帶的測試程序test-printf。2. 運行的界面（只截取了部分所需的界面）如下圖所示：塊大小為8byte時，塊大小為16byte時，當(dāng)塊大小為32byte時，當(dāng)塊大小為64byte時，3. 對上面的運行結(jié)果，我們提取所需要的一級數(shù)據(jù)cache的信息，如下表所示：塊大小總的失效次數(shù)總的失效率容量失效和沖突失效總次數(shù)強制性失效的次數(shù)8byte20500.00392204816byte10610.00202105932byte5600.0011355764byte2950.00062293從上表，我們可以分析得出，隨著塊大小的增加，程序的失效率逐漸地降低。容量失效和沖突失效的次數(shù)隨著塊大小的增加，基本維持在一個穩(wěn)定的值，而強制性的失效次數(shù)則不斷地降低，且幅度比較大。六 Cache的替換策略對Cache性能的影響1. 操作說明（1） 改變simplescalar模擬器中的一級數(shù)據(jù)cache的替換策略。與此同時固定Cache的塊大小為32byte、相聯(lián)度為2。在Cache容量為2KB、4KB、8KB和64KB的情況下，分別進行測試。（2） 測試的程序是simplescalar自帶的測試程序test-llong。2. 運行的界面（只截取了部分所需的界面）如下圖所示：容量為2KB時，使用了LRU替換策略使用了RANDOM策略容量為4KB時，使用了LRU替換策略使用了RANDOM策略容量為8KB時，使用了LRU策略使用了RANDOM策略容量為64KB時，使用了LRU替換策略使用了RANDOM策略3. 對上面的運行結(jié)果，我們提取所需要的一級數(shù)據(jù)cache信息，如下表所示：dl1容量替換策略總的失效次數(shù)總的