实验二-Cache性能分析

实验四Cache性能分析4.1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。4.2实验平台Cache模拟器MyCache，《计算机系统结构实验教程》附书光盘中提供，清华大学出版社。设计：张晨曦教授（[e-mail]），版权所有。开发：程志强。4.3实验内容及步骤首先要掌握MyCache模拟器的使用方法。（见4.4节）4.3.1Cache容量对失效率的影响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”下的“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（点击“执行到底”按钮），然后在表4.1中记录各种情况下的失效率。表4.1不同容量下Cache的失效率Cache容量（KB）248163264128256失效率9.87%7.19%4.48%2.65%1.42%0.89%0.60%0.49%地址流文件名：C:\DocumentsandSettings\user\桌面\Cache性能分析\MyCache模拟器\地址流\all.din5.根据该模拟结果，你能得出什么结论？Cache容量越大，失效率越低。4.3.2相联度对失效率的影响1.用鼠标点击“复位”按钮，把各参数设置为默认值。这时的Cache容量为64KB。2.选择一个地址流文件。方法：选择“访问地址”下的“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。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（点击“执行到底”按钮），然后在表4.2中记录各种情况下的失效率。表4.2当容量为64KB时，不同相联度下Cache的失效率相联度12481632失效率1.97%1.15%0.99%0.93%0/92%0/91%地址流文件名：C:\DocumentsandSettings\user\桌面\Cache性能分析\MyCache模拟器\地址流\cc1.din4.把Cache的容量设置为256KB，重复上一步的工作。表4.3当容量为256KB时，不同相联度下Cache的失效率相联度12481632失效率0.98%0.78%0.74%0.73%0.71%0.71%地址流文件名：C:\DocumentsandSettings\user\桌面\Cache性能分析\MyCache模拟器\地址流\cc1.din5.根据该模拟在64KB和256KB的情况下失效率随Cache相联度变化而变化的情况，你能得出什么结论？Cache容量相同，相连度越高，失效率越低4.3.3Cache块大小对失效率的影响1.用鼠标点击“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”下的“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。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（点击“执行到底”按钮），然后在表4.4中记录各种情况下的失效率。表4.4各种块大小情况下Cache的失效率块大小（B）Cache容量（KB）2832128512167.80%7.40%7.20%7.20%7.20%325.40%5.00%4.70%4.70%4.70%644.00%3.40%3.10%3.10%3.10%1284.40%3.30%2.40%2.40%1.06%2566.50%5.10%2.30%1.90%1.90%地址流文件名：C:\DocumentsandSettings\user\桌面\Cache性能分析\MyCache模拟器\地址流\eg.din4.分析Cache块大小对失效率的影响。在一定范围内，Cache块大小越大，失效率越低，到达某一值后失效率会上升4.3.4替换算法对失效率的影响1.用鼠标点击“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”下的“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。3.对于不同的替换算法、Cache容量和相联度，分别执行模拟器（点击“执行到底”按钮），然后在表4.5中记录各种情况下的失效率。表4.5LRU和随机替换法的失效率的比较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16KB1.71%2.05%1.33%1.77%1.21%1.97%64KB0.53%0.63%0.47%0.58%0.45%0.59%256KB0.38%0.40%0.36%0.37%0.36%0.36%1MB0.35%0.35%0.35%0.35%0.35%0.35%地址流文件名：C:\DocumentsandSettings\user\桌面\Cache性能分析\MyCache模拟器\地址流\all.din4.分析不同的替换算法对Cache失效率的影响。LRU和随机算法不命中率随cache容量增加减少，随相连度增加减少。相连度相同，cache容量大小相同时，LRU算法的不命中率比随机算法的不命中率小；Cache容量大小到一定程度时，不管何种替换算法时失效率都不再降低4.3.5混合Cache和分离Cache的比较1.用鼠标点击“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”下的“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。3.分别在分离Cache和混合Cache的情况下，选择不同的Cache容量，包括：4KB，8KB，16KB，32KB，64KB，128KB，256KB，分别执行模拟器（点击“执行到底”按钮），然后在表4.6中记录各种情况下的失效率。表4.6分离Cache和混合Cache失效率的比较容量指令Cache数据Cache混合Cache4KB3.64%5.77%7.19%8KB2.54%2.99%4.48%16KB1.40%1.88%2.65%32KB0.79%0.84%1.42%64KB0.48%0.68%0.89%128KB0.40%0.63%0.60%256KB0.33%0.57%0.49%地址流文件名：C:\DocumentsandSettings\user\桌面\Cache性能分析\MyCache模拟器\地址流\all.din4.对模拟结果进行分析。对于容量相同的分离cache，他们的容量和与混合cache容量相同时，分离cache的失效率比混合cache低4.4MyCache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，总的失效率；（2）读指令操作的次数，其不命中次数及其失效率；（3）读数据操作的次数，其不命中次数及其失效率；（4）写数据操作的次数，其不命中次数及其失效率；（5）手动输入单次访问的相关信息。MyCache—Cache模拟器模拟结果显示区设置参数区执行控制区图4.1MyCache模拟器的操作界面示意图