前言

2023-6-16 21:19:13

以下内容源自《【计算机系统结构】》
仅供学习交流使用

实验四 Cache性能分析

1 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)掌握Cache容量、相联度、块大小对Cache性能的影响。
(3)掌握降低Cache不命中率的各种方法。

2 实验平台

采用MyCache模拟器。
MyCache模拟器的使用方法：
(1) 双击MyCache.exe，启动模拟器。

(2) 系统打开操作界面，如下图所示：

MyCache-Cache模拟器
设置参数区模拟结果显示区
执行控制区
(3) 可以设置的参数包括Cache的容量、块大小、相联度、替换算法、预取策略、写策略、写不命中时的调块策略。可以直接从列表中选择。
(4) 访问地址可以选择来自地址流文件，也可以选择手动输入。如果是前者，则可以通过单击“浏览”按钮，从模拟器所在文件夹下的“地址流”文件夹中选取地址流文件（.din）文件，然后执行。执行得方式可以是单步，也可以选择一次执行结束。如果选择手动输入，就可以在“执行控制”区域中输入块地址，然后单击“访问”按钮。系统会在界面的右边显示访问类型、地址、块号以及块内地址。
(5) 模拟结果包括：

访问总次数，总的不命中次数，总的不命中率。
读指令操作的次数，其不命中次数及其不命中率。
读数据操作的次数，其不命中次数及其不命中率。
写数据操作的次数，其不命中次数及其不命中率。
手动输入单次访问的相关信息。

3 实验内容和步骤

3.1 Cache容量对不命中率的影响

(1) 启动MyCache。
在这里插入图片描述

(2)单击“复位”按钮，将各参数设置为默认值。
在这里插入图片描述

(3)选择一个地址流文件。具体方法：选择“访问地址”→“地址流文件”选项，然后单击“浏览”按钮，从本模拟器所在的文件夹下的“地址流”文件夹中选取。
在这里插入图片描述

(4) 选择不同的Cache容量，包括2KB，4 KB，8 KB，16 KB，32 KB，64 KB，128 KB和256 KB，分别执行模拟器（单击“执行到底”按钮就可执行），然后在表1中记录各种情况下的不命中率。
地址流文件名： all.din

在这里插入图片描述

(5) 指明地址流文件名，以容量为横坐标，画出不命中率虽Cache容量变化而变化的曲线图。

在这里插入图片描述

图1 all.din文件中不同Cache容量下的不命中率

(6) 根据该模拟结果，能得出什么结论？
增加Cache容量可以有效地减少Cache的不命中率。

3.2 相联度对不命中率的影响

(1) 单击“复位”按钮，将各参数设置为默认值。此时的Cache容量为64KB。
(2) 选择一个地址流文件。具体方法：选择“访问地址”→“地址流文件”选项，然后单击“浏览”按钮，从本模拟器所在的文件夹下的“地址流”文件夹中选取。
(3) 选取不同的Cache相联度，包括直接映像、2路、4路、8路、16路和32路。分别执行模拟器（单击“执行到底”按钮），然后在表2中记录各种情况下的不命中率。
在这里插入图片描述

(4) 把Cache的容量设置为256KB，重复（3）步骤填表3。

在这里插入图片描述

(5) 以相联度为横坐标，画出在64KB和256KB的情况下不命中率随Cache相联度变化而变化的曲线。并指明地址流文件名。
在这里插入图片描述

(6) 根据模拟结果，你能得出什么结论？
提高相联度可以减少Cache的不命中率。

3.3 Cache块大小对不命中率的影响

(1) 单击“复位”按钮，将各参数设置为默认值。
(2) 选择一个地址流文件。具体方法：选择“访问地址”→“地址流文件”选项，然后单击“浏览”按钮，从本模拟器所在的文件夹下的“地址流”文件夹中选取。
(3) 选择不同的Cache块大小，包括16B，32B，64B，128B和256B。对于Cache的各种容量，包括2KB，8 KB，32 KB，128 KB和512 KB，分别执行模拟器（单击“执行到底”），然后在表4中记录各种情况下的不命中率。

在这里插入图片描述

(4) 分析Cache块大小对不命中率的影响。
1.增强了空间局部性，减少了强制性不命中；
2.减少了Cache中块的数目，所以有可能会增加冲突不命中。

3.4 替换算法对不命中率的影响

(1) 单击“复位”按钮，将各参数设置为默认值。
(2) 选择地址流文件all.din。
(3) 对于不同的替换算法、Cache容量和相联度，分别执行模拟器（单击“执行到底”按钮），在表5中记录各种情况下的不命中率。
在这里插入图片描述
(4) 分析不同的替换算法对Cache不命中率的影响。
在Cache容量较小时，LRU算法的不命中率低于随机算法，当Cache容量较大时，两者差距不明显。

4 实验总结与心得

通过本次实验，我加深了对Cache的基本概念、基本组织结构以及基本工作原理的理解，掌握了Cache容量、相联度、块大小对Cache性能的影响，掌握了降低Cache不命中率的各种方法。

5 请思考

通过前面的仿真过程主要理解了影响Cache命中率的因素。命中率会影响Cache系统性能，但评价Cache系统性能应该考虑到访问的缺失代价的问题。更好的评价Cache系统性能的思想是存储器平均访问时间：
存储器平均访问时间=Cache命中时间+Cache命中缺失率╳缺失代价
请从此思路出发，分析Cache性能优化方法。用自己的语言总结这些优化方法的思想。通过查找资料，举出某些采用上述优化方法机器实例。
思想：提升命中率，降低缺失代价，减少命中时间。
实例：ADM Opteron的存储器。