计算机体系结构||Cache性能分析（4）

实验4 Cache性能分析

4.1实验目的

（1）加深对Cache基本概念、基本组织结构以及工作原理的理解。

（2）掌握Cache容量、相关度、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它们对提高Cache性能的好处

（4）理解LRU与随机法的基本思想以及对Cache性能的影响。

4.2实验平台

实验平台采用Cache模拟器MyCache。

4.3实验原理

（1）Cache有三种不同类型的不命中，分别为：

1）强制不命中：第一次访问一个块时，该块不在Cache中，需从下一级存储器中调入Cache。

2）容量不命中：程序执行时所需的块不能全部调入Cache中，则当某些块被替换后，若又重新被访问，就会发生不命中。

3）冲突不命中：在组相联或直接映象Cache中，若太多的块映象到同一组(块)中，则该组中某个块被别的块替换(即使别的组或块有空闲位置)，然后又被重新访问的情况。

（2）想要提高Cache的性能就得提高其命中率，其中有如下规则：

1）相联度越高，冲突不命中就越少

2）强制性不命中和容量不命中不受相联度的影响

3）强制性不命中不受Cache容量的影响，但容量不命中却随着容量的增加而减少。

（3）对应每种类型的不命中分别有如下解决方案：

1）强制性不命中：增加块大小，预取

2）容量不命中：增加容量

3）冲突不命中：提高相联度

（4）不同替换算法对不命中率的影响：

1）随机法（RAND法）

随机替换算法就是用随机数发生器产生一个要替换的块号，将该块替换出去，此算法简单、易于实现，而且它不考虑Cache块过去、现在及将来的使用情况，但是没有利用上层存储器使用的“历史信息”、没有根据访存的局部性原理，故不能提高Cache的命中率，命中率较低。

2）先进先出法（Firs-In-First-Out，FIFO法）

就是将最先进入Cache的信息块替换出去。FIFO算法按调入Cache的先后决定淘汰的顺序，选择最早调入Cache的字块进行替换，它不需要记录各字块的使用情况，比较容易实现，系统开销小，其缺点是可能会把一些需要经常使用的程序块（如循环程序）也作为最早进入Cache的块替换掉，而且没有根据访存的局部性原理，故不能提高Cache的命中率。因为最早调入的信息可能以后还要用到，或者经常要用到，如循环程序。此法简单、方便，利用了主存的“历史信息”，但并不能说最先进入的就不经常使用，其缺点是不能正常反映程序局部性原理，命中率不高，可能出现一种异常现象。

3）近期最少适用法（LeastRecently Used，LRU法）

这种方法是将近期最少使用的Cache中的信息块替换出去。该算法较先进先出算法要好一些。但此法也不能保证过去不常用将来也不常用。LRU法是依据各块使用的情况，总是选择那个最近最少使用的块被替换。这种方法虽然比较好地反映了程序局部性规律，但是这种替换方法需要随时记录Cache中各块的使用情况，以便确定哪个块是近期最少使用的块。LRU算法相对合理，但实现起来比较复杂，系统开销较大。通常需要对每一块设置一个称为计数器的硬件或软件模块，用以记录其被使用的情况。

4.4实验内容和实验截图

4.4.1 Cache对容量不命中率的影响

（1）启动MyCache

（2）单击“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。

（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”），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	3.43%	2.72%	0.58%	0.39%	0.23%	0.18%	0.18%	0.16%

地址流文件名：tex.din

1. 以容量为横坐标，画出不命中率随Cache容量变化的曲线。

（6）根据该模拟结果，你能得出什么结论？

Cache的不命中率随着Cache容量的增大而降低，但当容量增大到一定程度后如128KB，再增大Cache的容量变化就不会那么显著。

4.4.2相联度对不命中率的影响

（1）单击“复位“按钮，把各参数设置为默认值。此时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，包括直接映像、2路、4路、8路、16路、32路，分别执行模拟器，在下表记录各种情况的不命中率。

表4.2 当Cache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	0.40%	0.25%	0.22%	0.22%	0.21%	0.21%

地址流文件名：spice.din

（4）把Cache容量改为256KB，重复（3）中工作，并填表4.3

表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	0.30%	0.21%	0.21%	0.21%	0.21%	0.21%

地址流文件名：spice.din

1. 以相联度为横坐标，画出在容量为64KB和256KB情况下，不命中率随Cache相联度变化的曲线。

1. 根据该模拟结果，你能得出什么结论？

在Cache容量大小相同的情况下，提高相联度可以降低Cache不命中率，且Cache的容量越小，提升效果越显著。但随着相联度提到到一定程度后(4路相联)，再提高相联度Cache的不命中率就不显著。

4.4.3 Cache块大小对不命中率的影响

（1）单击复位按钮，把参数设置为默认值。

（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。

1. 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），记录各种情况下的不命中率。

表4.4 各种大小情况下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%	2.30%	1.90%	1.90%

地址流文件名：eg.din

（4）分析Cache块大小对不命中率的影响

当Cache容量一定的时候且容量小于等于64KB，若增大Cache块大小，Cache的不命中率先是下降，然后反升。而大于64KB后增加块大小会让不命中率一直下降。这是因为增加块大小会产生双重作用:

(1)增加了空间局部性，减少了强制性不命中

(2)另一方面，由于增加块大小会减少Cache中块的数目所以有可能会增加冲突不命中。

当Cache容量比较大时，第(1)种作用会超过(2)种作用，使不命中率持续下降:而当容量比较小时，第(2)种作用效果会超过第(1)种作用，反而使不命中率上升。

4.4.4替换算法对Cache不命中率的影响

（1）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），记录各种情况下的的不命中率。

表4.5 LRU和随机替换算法的不命中率比较

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	3.62%	4.62%	2.96%	4.64%	2.74%	6.36%
64KB	1.15%	1.60%	0.99%	1.52%	0.93%	1.53%
256KB	0.78%	0.82%	0.74%	0.76%	0.73%	0.72%
1MB	0.71%	0.71%	0.70%	0.70%	0.70%	0.70%

地址流文件名：cc1.din

（4）分析不同替换算法对Cache不命中率的影响。

无论相联度是多大，在Cache容量比较小时，LRU法的不命中率低于随机法，但当Cache容量增加到一定程度之后(256KB)，LRU法和随机法几乎差不多。

原文地址：https://blog.csdn.net/m0_60469045/article/details/140586392

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