计算机系统结构——Cache性能分析

news2025/7/18 17:02:48

一、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以及这些方法对提高Cache性能的好处。
  4. 理解LRU与随机法的基本思想以及它们对Cache性能的影响。

二、实验平台

实验平台采用Cache模拟器MyCache。

三、实验内容及步骤

首先要掌握MyCache模拟器的使用方法。

1、Cache容量对不命中率的影响

  1. 启动MyCache。
  2. 用鼠标点击“复位”按钮，把各参数设置为默认值。
  3. 选择一个地址流文件。方法：选择“访问地址”→“地址流文件”选项，然后点击“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。
  4. 选择不同的Cache容量，包括：2KB，4KB，8KB，16KB，32KB，64KB，128KB，256KB，分别执行模拟器（单击“执行到底”按钮即可执行），然后在表A.4.1中记录各种情况下的不命中率。
  5. 以容量为横坐标，画出不命中率随Cache容量变化而变化的曲线。并指明地址流文件名。
  6. 根据该模拟结果，你能得出什么结论？
  • Cache容量越大，不命中率越低，增加Cache容量可以有效地减少Cache的不命中率。

表A.4.1 不同容量下Cache的不命中率

Cache容量（KB）

2

4

8

16

32

64

128

256

不命中率

9.87%

7.19%

4.48%

2.65%

1.42%

0.89%

0.60%

0.49%

地址流文件名：  all.din  

2、相联度对不命中率的影响

  1. 用鼠标单击“复位”按钮，把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。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相联度，包括：直接映象，2路，4路，8路，16路，32路，分别执行模拟器（单击“执行到底”按钮即可执行），然后在表A.4.2中记录各种情况下的不命中率。
  4. 把Cache的容量设置为256KB，重复(3)的工作，并填写表A.4.3。
  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。
  6. 根据该模拟结果，你能得出什么结论？

  • 相联度越高，不命中率越低，提高相联度可以减少Cache的不命中率。

表A.4.2 当容量为64KB时，不同相联度下Cache的不命中率

相联度

1

2

4

8

16

32

不命中率

1.97%

1.15%

0.99%

0.93%

0.92%

0.91%

地址流文件名：  cc1.din  ​​​​​​​

表A.4.3 当容量为256KB时，不同相联度下Cache的不命中率

相联度

1

2

4

8

16

32

不命中率

0.98%

0.78%

0.74%

0.73%

0.71%

0.71%

地址流文件名：   cc1.din   

3、Cache块大小对不命中率的影响

  1. 用鼠标单击“复位”按钮，把各参数设置为默认值。
  2. 选择一个地址流文件。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，256B，对于Cache的各种容量，包括：2KB，8KB，32KB，128KB，512KB，分别执行模拟器（单击“执行到底”按钮即可执行），然后在表A.4.4中记录各种情况下的不命中率。
  4. 分析Cache块大小对不命中率的影响。
  • 增强了空间局部性，减少了强制性不命中；减少了Cache中块的数目，所以有可能会增加冲突不命中。

表A.4.4 各种块大小情况下Cache的不命中率

块大小

（B）

Cache容量（KB）

2

8

32

128

512

16

7.80%

7.40%

7.20%

7.20%

7.20%

32

5.40%

5.00%

4.70%

4.70%

4.70%

64

4.00%

3.40%

3.10%

3.10%

3.10%

128

4.40%

3.30%

2.40%

2.40%

2.40%

256

6.50%

5.10%

1.90%

1.90%

1.90%

地址流文件名：  eg.din   

4、替换算法对不命中率的影响

  1.  用鼠标单击“复位”按钮，把各参数设置为默认值。
  2. 选择一个地址流文件。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. 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”按钮即可执行），然后在表A.4.5中记录各种情况下的不命中率。
  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。 

表A.4.5  LRU和随机替换法的不命中率的比较

Cache

容量

相  联  度

2 路

4 路

8 路

LRU

随机算法

LRU

随机算法

LRU

随机算法

16KB

1.06%

1.73%

0.66%

1.09%

0.53%

1.84%

64KB

0.25%

0.28%

0.22%

0.26%

0.22%

0.36%

256KB

0.21%

0.21%

0.21%

0.21%

0.21%

0.21%

1MB

0.21%

0.21%

0.21%

0.21%

0.21%

0.21%

地址流文件名：   spice.din   

四、MyCache模拟器使用方法

1. 启动模拟器：用鼠标双击MyCache.exe。

2. 系统会打开一个操作界面。该界面的左边为设置模拟参数区域，右边为模拟结果显示区域。如图A.4.1所示。

3. 可以设置的参数包括：是统一Cache还是分离Cache，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。可以直接从列表里选择。

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，则可以通过点击“浏览”按钮，从模拟器所在文件夹下面的“地址流”文件夹中选取地址流文件（.din文件），然后进行执行。执行的方式可以是步进，也可以是一次执行到底。如果选择手动输入，就可以在“执行控制”区域中输入块地址，然后点击“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：

（1）访问总次数，总的不命中次数，总的不命中率；

（2）读指令操作的次数，其不命中次数及其不命中率；

（3）读数据操作的次数，其不命中次数及其不命中率；

（4）写数据操作的次数，其不命中次数及其不命中率；

（5）手动输入单次访问的相关信息。

 图A.4.1 MyCache模拟器的操作界面示意图

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