计算机系统结构 实验四 Cache性能分析

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、实验硬、软件环境

   Windows计算机、Mycache算法模拟器

三、实验内容及步骤

1. 首先要掌握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:

(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:

a) 访问总次数,总的不命中次数,总的不命中率。

b) 读指令操作的次数,其不命中次数及其不命中率。

c) 读数据操作的次数,其不命中次数及其不命中率。

d) 写数据操作的次数,其不命中次数及其不命中率。

e) 手动输入单次访问的相关信息。

2. 设计方法降低Cache不命中率

方法一:探究Cache容量对不命中率的影响

(1)选择不同的Cache容量,包括2KB、4KB,8KB,16KB,32KB,64KB、128KB和256KB。分别执行模拟器(单击“执行到底”按钮即可执行),然后在表4.1中记录各种情况下的不命中率.

表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

9.78%

7.19%

4.48%

2.65%

1.42%

0.89%

### Cache性能分析计算机系统结构实验中的方法与工具 #### 方法概述 Cache性能分析计算机系统结构实验中的重要组成部分,旨在通过实验手段深入理解缓存的工作原理及其对系统性能的影响。该实验通常包括以下几个关键方面:缓存命中率的计算、访问延迟的测量、替换策略的效果评估以及如何优化程序以提高缓存利用率[^1]。 #### 实验方法 1. **缓存命中率分析** 缓存命中率是衡量缓存性能的重要指标之一。可以通过统计缓存命中次数和未命中次数来计算命中率。公式为: \[ \text{命中率} = \frac{\text{命中次数}}{\text{总访问次数}} \] 在实验中,可以使用模拟器或硬件性能计数器(如Intel PTU)记录这些数据,并结合程序运行结果进行分析[^1]。 2. **访问延迟测量** 访问延迟是指从发出内存请求到获取数据所需的时间。可以通过以下方法测量: - 使用硬件性能计数器(如RDTSC指令)记录访问时间。 - 利用操作系统提供的性能测试工具(如`time`命令)评估程序的整体运行时间,间接推算缓存延迟[^4]。 3. **替换策略评估** 替换策略的选择直接影响缓存性能。常见的替换策略包括FIFO(先进先出)、LRU(最近最少使用)和随机替换等。实验中可以通过修改缓存配置,观察不同策略对命中率和延迟的影响[^2]。 4. **程序优化** 缓存性能不仅依赖于硬件设计,还与程序代码密切相关。实验中可以尝试以下优化方法: - 数据局部性优化:调整数组访问顺序以提高空间局部性。 - 循环展开:减少循环控制开销,增加数据重用。 - 内存对齐:确保数据存储在缓存行边界上,避免跨行访问。 #### 工具介绍 1. **硬件性能计数器** 现代处理器内置了性能监控单元(PMU),可以记录缓存命中/未命中次数、访问延迟等信息。通过编程接口(如PAPI库)可以方便地采集这些数据[^1]。 2. **缓存模拟器** 缓存模拟器是一种软件工具,用于模拟缓存的行为并生成性能报告。常用的缓存模拟器包括: - **Cachegrind**:Valgrind工具集的一部分,能够详细分析程序的缓存行为。 - **SimCache**:一个轻量级的缓存模拟器,支持多种替换策略和配置选项[^2]。 3. **性能分析工具** - **perf**:Linux系统自带的性能分析工具,支持缓存性能统计。 - **VTune**:Intel提供的高级性能分析工具,能够深入分析缓存和内存子系统的性能。 #### 示例代码 以下是一个简单的C语言程序,用于测量数组访问的缓存性能: ```c #include <stdio.h> #include <time.h> #define ARRAY_SIZE 1000000 int main() { int array[ARRAY_SIZE]; for (int i = 0; i < ARRAY_SIZE; i++) { array[i] = i; } clock_t start = clock(); long sum = 0; for (int i = 0; i < ARRAY_SIZE; i++) { sum += array[i]; } clock_t end = clock(); printf("Sum: %ld, Time: %.6f seconds\n", sum, (double)(end - start) / CLOCKS_PER_SEC); return 0; } ``` 此代码通过测量数组访问时间,间接反映缓存性能。
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