cache性能分析实验报告.docx
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cache性能分析实验报告
计算机系统结构实验报告
称:
Cache性能分析
院:
信息工程
名:
陈明
t=r.
号:
S121055
业:
计算机系统结构
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
运行SimpleScalar模拟器;
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.
4.
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;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
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(interferenee)。
(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
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:
vname>:
Cache的名称,其中:
一级数据Cache;
二级数据Cache;
一级指令Cache;
二级指令Cache;
dl1
dl2
il1
il2
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:
vnsets>*vbsize>*vassoc>。
替换策略主要有以下几种:
LRU最近最少使用;
r
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=512KBo
FIFO,先进先出;
RANDOM随机策略。
-cache:
dl1dl1:
2048:
64:
4:
r
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。
在基本的配置情况下运行自己设计的程序,代码如下:
#includevstdio.h>
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
的访问目录为/root/simplescalar/bin/sslittle-na-sstrix-gee译,编译后生成了能够在模拟器中可以运行的可执行文件
hello.c,用安装好的simplescalar中的编译器sslittle-na-sstrix-gcc(它
)对其进行编
a.out。
命令行运行
界面如下图所示:
hooi^PG(il21005J0KZCbin.liiIlc]fied/looi/
[rool?
'P<2012]00530KZCroot]cdktirpIeseahr
rrooi?
P<201210OJ)2O^^Ginple5f4ilorl#JhiiiZs^iIi11Ic-n^-ssirix-geeheIlo.c
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。
[rooiL:
*PG2 Hiiireache: Simpkicilai/I^JSATooJi(? Iwrsion3-0o(AugiiU,2003. Cupyiri^hl AlIncTliinvr■»ionofSiirpIcScdlariiIicenaedforacademic Hffli-coinTDreiiIu*c.卩oiIi«nofikiiimjrkmjybeuu«dbyanyconiwrcluI cn1IIIIy.nrforanyr^irnwrriiaIpnrpjujf,wiiihniiiihfprimruri|i<*ii「申rmiuionofSinpk^eulur,LbC(info曲inpIckcu\ar.conV. KHRcormandIint: impksiin-3.O/hiiircachea.ouL KiiR&iinilANonslart^d四5吕lJan52013,opiionsfoIlow Aiiircache: 7hi$imikLorinpIprrpiilhaftiiic(ionaIcactioiinuhlor« 门r-Ifriirh*indTl.K4'niifiynrarion ^UiithiiuyiiichdfupluLwlevf]kofinsiruelionanddaincache informitionisgfiieraled. CacheleveIshierarchyatconfigurationarguments. dll ull11cQchc: dl2u12;1024;2;I siirc**startingheIIowrId! loadconfigurationfromafiledunp(;unfiguratlunluafiIcpriniheIpmssageverboseopera1ionenabledebugiW5sagestar1inDIitedebuggerrandomnurrbergeneratorseed(0forliircrseed)initializeaadlermnaleiimrdiaielyrestoreElOtraceexeculionfrom iniIfltorwhedulingpriority rTBxinumnunherofinst'stoexecute ff11d
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