【深大计算机系统（2）】实验五 Cache实验 实验报告 附实验代码、常用指令、实验数据

目录

一、实验目的：

二、实验环境：

三、实验内容与步骤：

四、实验过程及内容：

1. 分析Cache访存模式对系统性能的影响：

2. 测量分析出Cache 的层次结构、容量以及L1 Cache行有多少？

3. 尝试测量你的x86机器TLB有多大？（选作）

五、实验总结与体会

尾注

附录：

实验代码：

1. 矩阵运算代码：

2. mountain绘图代码（matlab）：

3. 测量TLB代码：

常用虚拟机指令：

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写在前面：

上交的实验报告需要包含账户的姓名全拼以及学号，本报告的相应部分已经打码处理，请在自己的环境中完成实验！

一、实验目的：

1.    加强对Cache工作原理的理解；

2.    体验程序中访存模式变化是如何影响cahce效率进而影响程序性能的过程；

3.    学习在X86真实机器上通过调整程序访存模式来探测多级cache结构以及TLB的大小。

二、实验环境：

X86真实机器

三、实验内容与步骤：

1. 分析Cache访存模式对系统性能的影响

        （1）给出一个矩阵乘法的普通代码A，设法优化该代码，从而提高性能。

        （2）改变矩阵大小，记录相关数据，并分析原因。

2. 编写代码来测量x86机器上（非虚拟机）的Cache 层次结构和容量

        （1）设计一个方案，用于测量x86机器上的Cache层次结构，并设计出相应的代码；

        （2）运行你的代码获得相应的测试数据；

        （3）根据测试数据来详细分析你所用的x86机器有几级Cache，各自容量是多大？

        （4）根据测试数据来详细分析L1 Cache行有多少？

3. 尝试测量你的x86机器TLB有多大？（选作）

四、实验过程及内容：

准备工作：

        首先在虚拟机桌面上新建一个实验五的文件夹experiment_5用于保存本实验所用的所有文件。下载main_a.c文件后使用指令gcc -o main_a main_a.c 进行编译，发现没有错误。

图：编译main_a.c

        图中，第一次编译错误是由于“-o”的命令出错，具体原因是ppt中给出的指令使用的符号并不是标准的“-”，而是“–”，导致机器无法识别。修改后即可正确编译并生成可运行文件。

接下来即可开始实验：

1. 分析Cache访存模式对系统性能的影响：

        使用指令./main_a x，以x*x为矩阵的大小运行程序./main_a，并记录运行时间，填入表中（单位为秒）。

        接下来阅读源代码，并尝试优化：

        阅读代码可以得知，程序的主要功能是实现两个矩阵的相乘运算，将大小为x*x的矩阵a，b相乘的结果保存在矩阵c中。但此代码的空间局部性较差，常常访问距离当前访问地址较远的地址，具体而言，在对c某个位置的计算时，对矩阵b的访问中，程序每次访问的地址将会增加size，此时如果size较大，访问的空间将会距离较大，因此空间局部性差。

        优化方法：将原始的整块矩阵相乘拆分为一个个小矩阵块相乘，从而提高了空间局部性，提高运行效率。计算部分的代码如图：

图：核心代码

        其中，BLOCK_SIZE即为矩阵块的大小。

        接下来，由于我们并不能直接确定块的合适大小，因此我尝试将此参数进行多次调整，找到一个较优的值：

图：参数调整过程