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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-pro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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