实验1 Cache性能分析

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内存实验报告

一、实验目的1. 了解内存的基本概念和组成结构。

2. 掌握内存的读写操作过程。

3. 熟悉内存寻址方式及其应用。

4. 分析内存性能对系统运行的影响。

二、实验原理1. 内存基本概念：内存是计算机中用于存储数据和指令的设备，它是计算机系统中的核心组成部分。

内存按照存储单元的存储容量和速度分为多种类型，如RAM、ROM、ROM、Cache等。

2. 内存组成结构：内存主要由存储单元、地址译码器、数据总线、控制电路等组成。

存储单元是内存的基本存储单元，每个存储单元都有一个唯一的地址，通过地址译码器将地址转换为存储单元的物理位置。

数据总线用于传输数据，控制电路负责协调读写操作。

3. 内存读写操作过程：内存的读写操作主要包括以下步骤：（1）将需要访问的存储单元地址送入地址寄存器；（2）根据地址寄存器中的地址，通过地址译码器找到对应的存储单元；（3）控制电路根据读写信号，将数据从存储单元读入数据寄存器或从数据寄存器写入存储单元。

4. 内存寻址方式：内存寻址方式主要有以下几种：（1）直接寻址：直接将操作数地址送入指令地址寄存器；（2）间接寻址：将操作数地址存储在内存单元中，通过指令访问该内存单元获取操作数地址；（3）基址寻址：以基址寄存器中的值作为操作数地址的基准；（4）变址寻址：以变址寄存器中的值加上指令中的偏移量作为操作数地址。

三、实验内容1. 内存读写操作实验：通过编程实现内存的读写操作，包括读取内存单元数据、写入内存单元数据等。

2. 内存寻址方式实验：分别使用直接寻址、间接寻址、基址寻址、变址寻址等寻址方式实现数据访问。

3. 内存性能分析实验：分析不同内存类型、容量、速度对系统运行的影响。

四、实验步骤1. 内存读写操作实验：（1）编写程序，实现将数据从内存单元读取到寄存器；（2）编写程序，实现将数据从寄存器写入内存单元。

2. 内存寻址方式实验：（1）使用直接寻址方式，实现数据访问；（2）使用间接寻址方式，实现数据访问；（3）使用基址寻址方式，实现数据访问；（4）使用变址寻址方式，实现数据访问。

cache的基本原理(一)

cache的基本原理(一)Cache的基本原理什么是CacheCache（缓存）是计算机系统中一种提高数据访问效率的技术。

它通过将经常访问的数据存储在速度更快的存储介质中，以便快速获取，从而加快系统的响应速度。

Cache的作用1.提高数据访问速度：Cache能够将数据存储在速度更快的存储介质中，以便快速获取。

相比于从较慢的主存（RAM）中读取数据，从Cache中读取数据的速度更快，从而提高了系统的响应速度。

2.减轻系统负载：Cache能够减轻对主存的访问压力，从而减轻了整个系统的负载。

当数据被缓存到Cache中时，对该数据的访问将不再需要访问主存，从而减少了主存的读写操作，提高了整个系统的效率。

Cache的基本原理Cache的基本原理可以概括为以下几个步骤：1.检查数据是否在Cache中：当系统需要访问某个数据时，首先会检查该数据是否已经存储在Cache中。

如果在Cache中找到了需求的数据，则无需从主存中读取，直接从Cache中获取数据。

2.数据未在Cache中：如果需要的数据不在Cache中，则需要从主存中读取。

同时，系统会将该数据从主存读取到Cache中，以便下次快速访问。

通常会采用一定的缓存算法（如LRU）来选择适合替换的数据，确保Cache的空间被合理利用。

3.数据写回主存：当Cache中的数据被修改后，系统会在合适的时机将修改后的数据写回主存。

这样可以保证数据的一致性，并且避免数据的丢失。

Cache的命中率Cache的命中率是评估Cache性能的重要指标。

它表示在访问数据时，该数据已经在Cache中的概率。

命中率越高，越能够提高系统的响应速度。

Cache的命中率可以通过以下公式计算：命中率 = 命中次数 / 总访问次数提高Cache命中率的方法为了提高Cache的命中率，可以采取以下方法：•提高Cache容量：增加Cache的容量可以存储更多的数据，从而减少Cache缺失的概率，提高命中率。

3-9 CPU的性能与功耗(3)

第三章CPU 第三章CPU高速缓存性能分析高速缓存性能分析Caches的引入使得执行时间非确定了•依赖于执行的顺序Cache未命中损失: 由于cache未命中而需要花费的额外时间未命中的原因：强制性未命中,容量未命中,冲突未命中CPU 功耗CPU功耗在某些情况下，CPU 的功耗与其运行时间同等重要功率和能量:•功耗是能量消耗和功率消耗的简称•热量的产生取决于功率•电池的寿命取决于能量的消耗CMOS 的功耗CMOS的功耗CMOS几乎所有的数字系统都有的影响CMOS 功耗的因素电压降(Voltage drops): 功耗与V2成正比切换(Toggling): 切换越多, 功耗越多泄漏(Leakage): 消除漏电的唯一方法切断电源影响CMOS功耗的因素CPU 节能的方法CPU 在低电压下使用在低时钟频率下使用内部禁止当前执行功能不需要的功能单元允许部分CPU 部件完全与电源断开，以消除泄漏电流CPU 节能的方法电源管理的特征•由用户调用，不依赖与CPU 的活动静态电源管理特征•基于CPU活动来对功耗进行控制动态电源管理特征电源管理的特征应用：PowerPC 603 节能模式静态电源管理功能,提供三种低功耗模式小睡（doze）模式打盹（nap）模式休眠（sleep）模式动态电源管理技术关闭不用的执行单元Cache的组织，最小化活动电路的数目应用：PowerPC 603 节能模式节电模式的进入和退出进入或退出节电模式的消耗•时间•能量确定进入是否值得用能量状态机建立CPU能量模型节电模式的进入和退出应用: StrongARM SA-1100 节能模式应用: StrongARM SA-1100 节能模式处理机有2个电源VDD 主电源：3.3VVDDX 电源：1.5V三种电源模式运行（Run）: 正常操作模式空闲（Idle）: 通过停止CPU时钟节省功耗，但系统单元模块任然供电睡眠（Sleep）: 关闭大部分芯片的活动SA-1100 能量状态机runidle sleepP run =400mWP idle =50mWP sleep =0.16mW 10μs 10μs90μs 160ms90μs SA-1100 能量状态机总结 1.Cache性能分析 2.CPU 功耗 3.CPU 的电源管理总结。

多核cache亲和性

多核cache亲和性综述概述利用亲和性这种特性可以降低进程转移带来的性能损失，提高cache命中率，同时利用该特性可以充分利用片上所有的cache来加速串行程序的执行。

但要利用该特性需要操作系统调度程序的支持，同时要求有一定的硬件的支持。

经过研究，cache亲和性对单核多处理器的性能提升不大，但对于多核多处理器能带来很大的性能提升。

该文主要介绍了亲和性的定义，亲和性对性能的影响，最后怎样利用操作系统及硬件支持来充分利用该特性。

引言芯片多处理器（CMP）的已成为当今高性能的多处理器主要形式之一。

对影响性能的关键因素之一便是高速缓存的利用率。

传统的对于高速缓存，每个核心是有自己的私有L1高速缓存，并在同一芯片上所有核心共享的较大二级缓存。

为了提高缓存利用率，我们需要考虑在缓存中的数据重用，在所有核心上共享缓存缓存访问的争夺，和私有缓存间的连贯性缺失率。

亲和性定义：亲和性指进程在给定的cpu或cpu核上运行尽量长的时间而不被转移到别的处理器的倾向性。

在Linux里，内核进程调度器天生就具有软亲和性（soft affinity）的特性，这意味着进程通常不会在处理器或者内核之间频繁迁移。

这种情况是我们希望的，因为进程迁移的频率低意味着产生的负载小，具有更好的性能表现。

在对称多处理(SMP)上，操作系统的进程调度程序必须决定每个CPU上要运行哪些进程。

这带来两项挑战：调度程序必须充分利用所有处理器，避免当一个进程已就绪等待运行，却有一个CPU核心闲置一旁，这显然会降低效率。

然而一个进程一旦被安排在某个CPU核心上运行，进程调度程序也会将它安排在相同的CPU核心上运行。

这会使性能更好，因为将一个进程从一个处理器迁移到另一个处理器是要付出性能代价的。

一般进程会在相同的核或CPU上运行，只会在负载极不均衡的情况下从一个核移往另一个核。

这样可以最小化缓存区迁移效应，同时保证系统中处理器负载均衡。

亲和性程序性能的影响多核处理器的处理器与处理器之间的cache亲和力是通过观察缓存方面积累了一定的进程的状态，即数据或指令后才进行考察的。

Cache性能分析

Cache 性能分析一、性能分析1.不同容量下Cache 命中率：设置：选择不同的cache 容量，2k ，4k ，8k ，16k ，32k ，64k ，128k ，256k块大小：16k 相联度：直接相连替换策略：LRU 预取策略：不预取写策略：写回写不命中的调快策略：按写分配文件：cc1.din表1 不同容量下Cache 命中率图1结论：在其他条件一定的情况下，随着cache 容量的增加，不命中率逐渐减小2.相联度对不命中率的影响：设置：Cache 容量：64K/256KB 块大小;16B 相联度设置：1，2，4， 8，16，32 替换策LRU 预取策略：不预取写策略：写回写不命中的调快策略：按写分配文件：cc1.dinCache 容量为64KB 时：表2 当容量为64K 时的不命中率相联度 1 2 4 8 16 32不命中率（%）2.71 1.80 1.61 1.55 1.54 1.54Cache 容量为256KB 时：表3 当容量为256K 时的不命中率相联度 1 2 4 8 16 32不命中率（%）1.58 1.34 1.28 1.26 1.24 1.24 结论：Cache 的容量（KB ） 2 4 8 16 32 64 128 256不命中率（%）18.61 14.09 10.12 6.34 3.81 2.71 1.95 1.58图2结论：（1）当Cache容量一定时，随着相联度的不断增加，不命中率逐渐减小，但是当相联度增加到一定程度时，不命中率保持不变。

（2）当关联度相同时，Cache容量越大，不命中率越小，当关联度增加到一定程度时，不命中率和Cache容量大小无关。

3.Cache块大小对命中率的影响：设置：Cahce块大小(B)：16,32,64,128,256 Cache容量设置(KB)：2,8,32,128,512相联度：直接相联预取策略：不预取写策略：写回写不命中的调快策略：按写分配文件：eg.din表4 不同Cache行大小情况下Cache的不命中率块大小（B）Cache的容量（KB）2 8 32 128 51216 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%图3结论：（1）在Cache容量一定时，Cache 不命中率随着Cache行的增加先减小后增加。

cache的基本结构

cache的基本结构摘要：一、引言二、Cache的基本概念1.缓存的作用2.Cache的分类三、Cache基本结构1.组成要素2.工作原理四、Cache的优化策略1.缓存过期策略2.缓存替换策略3.缓存更新策略五、案例分析1.常见Cache应用场景2.Cache在实际项目中的应用六、结论正文：一、引言随着互联网技术的不断发展，网站性能优化成为越来越重要的课题。

在此背景下，缓存技术（Cache）应运而生，成为提高系统性能的有效手段。

本文将从Cache的基本概念、基本结构、优化策略等方面进行详细阐述，以期帮助读者更好地理解和应用Cache技术。

二、Cache的基本概念1.缓存的作用缓存的主要作用是减轻服务器负担，提高数据访问速度。

通过在客户端或服务器端存储热点数据，可以在访问数据时避免重复计算或查询，从而提高系统性能。

2.Cache的分类根据缓存的位置和作用，可以分为以下几类：- 客户端缓存：位于客户端（如浏览器）的缓存，用于存储访问过的网页、图片等资源。

- 服务器端缓存：位于服务器上的缓存，用于存储热点数据，如数据库查询结果、动态生成的内容等。

- 分布式缓存：通过多个服务器协同工作，实现大容量、高性能的缓存系统。

三、Cache基本结构1.组成要素一个典型的Cache结构包括以下几个要素：- 缓存空间：用于存储数据的空间，通常有限。

- 缓存策略：决定如何存储、更新和替换数据的规则。

- 缓存命中率：访问的数据在缓存中命中的比例，用以评估缓存效果。

2.工作原理Cache的工作原理简单来说就是“存、取、更新”：- 存：当客户端请求数据时，服务器将数据存储到缓存中。

- 取：当客户端再次请求相同数据时，优先从缓存中取出数据。

- 更新：当数据发生变化时，更新缓存中的数据，以确保客户端获取到最新数据。

四、Cache的优化策略1.缓存过期策略缓存数据具有一定的过期时间，超过过期时间后，数据会被自动删除。

常见的过期策略有：- 固定过期时间：设置一个固定的时间，如10分钟、30分钟等。

直接相联cache设计实验原理

直接相联cache设计实验原理在计算机系统中，缓存是一种用于加速数据访问的关键组件。

它可以存储最近使用过的数据，以便在需要时能够快速获取。

在缓存设计中，直接相联cache是一种常见的设计方案。

本文将介绍直接相联cache的设计原理和实验方法。

一、直接相联cache的基本原理直接相联cache是一种基于地址映射的缓存设计方案。

它通过将主存中的数据映射到缓存的不同行中，以实现数据的快速访问。

在直接相联cache中，每个主存地址对应一个缓存行，缓存行由标签（tag）、有效位（valid bit）和数据组成。

1. 标签（tag）：用于标识主存地址对应的数据是否在缓存中。

当主存地址被访问时，缓存会比对标签值，以确定是否命中。

2. 有效位（valid bit）：用于标识缓存行中的数据是否有效。

当缓存行中的数据被修改或替换时，有效位会相应地进行更新。

3. 数据：存储在缓存行中的主存数据。

直接相联cache的设计原理是，通过将主存地址的一部分作为标签，并将其余部分作为行索引，将主存数据映射到相应的缓存行中。

例如，将主存地址的高位作为标签，低位作为行索引。

这样，当主存地址被访问时，缓存可以通过比对标签值来确定是否命中，并通过行索引找到相应的缓存行。

二、直接相联cache的实验设计为了验证直接相联cache的性能和效果，可以进行一系列实验。

下面将介绍一个基于直接相联cache的实验设计。

1. 实验目标：测试直接相联cache的命中率和访问延迟，评估其性能表现。

2. 实验材料：计算机系统、编程语言（如C++）。

3. 实验步骤：（1）确定缓存参数：包括缓存大小、行大小、标签位数等。

根据实验需求和计算机系统的特点，选择合适的参数。

（2）编写数据生成程序：生成一系列模拟的数据访问请求。

可以使用随机算法生成各种类型的数据访问模式，包括顺序访问、随机访问等。

（3）编写缓存模拟程序：根据直接相联cache的设计原理，实现一个缓存模拟程序。

11 存储系统 Cache 内存_v1.0

北京信息科技大学
计算机系统结构
(4)非阻塞Cache技术

1. 非阻塞Cache：Cache失效时仍允许CPU进行其它的命中访问。即允许“失效下命中”。 2. 进一步提高性能：“多重失效下命中” “失效下失效” (存储器必须能够处理多个失效)

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计算机系统结构
(5)采用两级Cache
2. 容量失效(capacity miss)
程序执行时所需的块不能全部调入Cache中，当某块被替换后又重新被访问，就会发生的失效
3. 冲突失效(conflict miss)
在组相联或直接映象Cache结构中，如果有太多的块映象到同一组（块）中，会出现某块被替换后又重新访问的情况，就会发生的失效
北京信息科技大学
计算机系统结构
（7）编译器优化

无需硬件，通过对软件的优化降低失效率我们可以容易地重新组织程序而不影响程序的正确性通过重新排列指令顺序，可以减少冲突失效、降低指令失效率。有些指令根本不进入Cache时，可以得到最佳性能数据对存储位置的限制比指令对存储位置的限制少，更便于调整顺序
存储器停顿时钟周期数＝访存次数×失效率×失效开销
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计算机系统结构
1. 降低失效率 2. 减少失效开销 3. 减少命中时间
CACHE优化策略
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计算机系统结构
改进Cache性能
平均访存时间＝命中时间＋失效率×失效开销
Average memory access time = Hit time + Miss rate ×Miss penalty
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西安交大计算机系统结构实验报告.

《计算机系统结构课内实验》实验报告第一次实验：记分牌算法和Tomasulo算法第二次实验：cache性能分析班级：物联网21姓名：李伟东学号：2120509011日期：2015.5.21第一次实验：记分牌算法和Tomasulo算法一、实验目的及要求1. 掌握DLXview模拟器的使用方法；2. 进一步理解指令动态调度的基本思想，了解指令动态调度的基本过程与方法；3. 理解记分牌算法和Tomasulo算法的基本思想，了解它们的基本结构、运行过程；4. 比较分析基本流水线与记分牌算法和Tomasulo算法的性能及优缺点。

二、实验环境DLXview模拟器三、实验内容1.用DLX汇编语言编写代码文件*.s（程序中应包括指令的数据相关、控制相关以及结构相关），以及相关的初始化寄存器文件*.i和数据文件*.d；2.观察程序中出现的数据相关、控制相关、结构相关，并指出三种相关的指令组合；四、实验步骤将自己编写的程序*.s、*.i、*.d装载到DLXview模拟器上，（1）分别用基本流水线、记分牌算法和Tomasulo算法模拟，针对每一种模拟做如下分析：①统计程序的执行周期数和流水线中的暂停时钟周期数；②改变功能部件数目重新模拟，观察并记录性能的改变；③改变功能部件延迟重新模拟，观察并记录性能的改变；论述功能部件数目、功能部件延迟对性能的影响。

（2）记录运行记分牌算法时的功能部件状态表和指令状态表；（3）记录运行Tomasulo算法时的指令状态表和保留站信息；五、实验结果1）基本流水线原始即加法延迟2，乘法延迟5，实验结果显示该段程序运行了11个时钟周期增加了一个除法器。

加法器延迟2，乘法器延迟5，除法器延迟19。

实验结果显示该段程序运行了11个时钟周期。

增加除法器对程序的执行无影响。

加法器延迟2，乘法器延迟6，无除法器。

实验结果显示该段程序运行了12个时钟周期乘法器的延迟对程序执行有有影响。

加法器延迟1，乘法器延迟5。

高性能计算机系统中Cache的性能分析及改进

包括Ｃａｈ设计的基本问题，ａｈ性能分析，ａｈｃｅＣｃｅＣｃｅ失效原因的分析以及Ｃｃｅ设计中一些改进方法ａｈ
【关键词】ａｈ，：Ｃｃｅ主存，．Ｍ，中率ＳＡ命Ｒ
Ｏ、言引
ＣＵ时间＝ＣＵ执行时钟数＋存等待时钟数）时钟周期Ｐ（Ｐ访ｘ在现代微型计算机系统中，Ｐ的速度越来越快ＣＵ主频ＣＵＰ由于Ｃｃｅ效是访存等待的最重要原因．我们假设访存ａｈ失的提升会带动系统性能的改善．但系统性能的提高不仅仅取决等待都是有Ｃｃｅ失效产生的．简化分析ａｈ以于ＣＵ还与系统架构、令结构、息在各个部件之间的传送Ｐ．指信访存等待时钟数＝存储器访问数／序）失效率Ｘ效损失（程 × 失
１００年第７期
高性能计算机系统中Ｃｃｅ的性能分析及改进ａｈ
张
【摘
静
（内蒙古科技大学信息工程学院内蒙古包头０４１１００）
要】通过高速缓冲存储器技术是现代处理器设计中的核心技术之一。：本文详细讨论了Ｃｃｅ计中的重要内容ａｈ设
～
在执行的指令地址附近的一部分指令或数据从主存调入这个存对某存储块进行第一次访问时．由于该块不在Ｃｃｅ中．ａｈ所储器。ＣＵ在一段时间内使用。对提高程序的运行速度有很以必须首先将存储块取到Ｃｃｅ中这种情况又被称为冷启失供Ｐ这ａｈ大的作用。这个介于主存和ＣＵ之问的高速小容量存储器称作效。Ｐ高速缓冲存储器（ａｈ１Ｃｃｅ。（１量失效２容ＣＵ访问存储器时，首先检查ＣｃｅＰａｈ．如果访问的数据在如果Ｃｃｅ不能容纳某～程序执行过程中的所有存储块．ａｈＣｃｅ中，ＣＵ就能很快完成访问．种情况称之命中。中率那么当程序又需使用某一曾在Ｃｃｅ中．但现在已替换出的存ａｈ则Ｐ这命ａｈ越高，确获取数据的可靠性就越大。一般来说，ａｈ正Ｃｃｅ的命中率储块时．会出现容量失效。就决定于Ｃｃｅ容量、ａｈａｈＣｃｅ控制算法和Ｃｃｅ的结构。设计较好ａｈ（）３冲突失效的Ｃｃｅ系统，中率应在９％以上。至于没有命中的数据，Ｐａｈ命ＯＣＵ在采用组相联或直接映射替换策略的Ｃｃｅ中．许多块都ａｈ只好直接从主存中获取，时也把它复制到Ｃｃｅ中．备下次必须映射到Ｃｃｅ中的某一块中．由于这种原因使得当程序又同ａｈ以ａｈ访问。需要使用某一曾在Ｃｃｅ中．现在已被替换出的存储块时，ａｈ但就２、ｃｅ的基本结构Ｃａｈ会出现冲突失效在Ｃｃｅ系统中．存和Ｃｃｅ都是由同样大小的块组成ａｈ主ａｈ主存总是以块为单位映象到Ｃｃｅ中ａｈ每一个存储块外ａｈＣｃｅ的加一个标记，当于其主存中的块号。访问Ｃｃｅ时，主存地相当ａｈ将址和块号部分和每一个标记同时进行比较．从而对标记相同的存储块进行访问。Ｃｃｅ三种基本结构：ａｈ有ｆ１接映象Ｃｃｅ主存的一个块可以映象到Ｃｃｅ的一１直ａｈ。ａｈ个位置。地址仅需比较一次，因而查找速度快，但命中率较低。ｆ１相联Ｃｃｅ主存的一个块可以映象到Ｃｃｅ的任何２全ａｈ。ａｈ位置每一次请求数据同Ｃｃｅ中的地址进行比较需要相当长ａｈ的时间．以速度较慢，是命中率高。所但ｆ、相联Ｃｃｅ主存的一个块可以映象到Ｃｃｅ的有限３组ａｈ。ａｈ的位置它是介于全相联Ｃｃｅ和直接映象Ｃｃｅ之问的一种ａｈａｈ结构这种类型的Ｃｃｅ使用了几组直接映象的块，于某一个ａｈ对给定主存块．Ｃｃｅ中可以允许有几个块位置，而可以增加在ａｈ因命中率和系统效率。全相联Ｃｃｅ中没有冲突失效．但增加相联度在意味着增ａｈ加成本．且可能延长访问时间．而这样就会降低处理器的整体性能要减少容量失效，要增加Ｃｃｅ的容量。上层存储器容量就ａｈ太小，就会频繁产生抖动现象．意昧着机器将以接近低级存储这器的速度运行增加存储块的大小可以减小突发失效的数目，但

利用高速缓存(Cache)的局部性优化矩阵乘法

int sj, si, sk; for ( sj = 0; sj < n; sj += blocksize )
for ( si = 0; si < n; si += blocksize ) for ( sk = 0; sk < n; sk += blocksize )
-4-
do_block(n, blocksize, si, sj, sk, A, B, C); }
*B, double *C)
{
dgemm (n, blocksize, A+si*n+sk, B+sk*n+sj, C+si*n+sj);
//printf("\n");
//printf("%d %d %d\n", si, sj, sk);
//for(int i = 0; i < n; i++)
//{
}
-2-
分析：计算机在实际计算上述普通矩阵乘法时，所计算矩阵 C 的每一个数据时，都要用到矩阵 A 的某行和矩阵 B 中的某列，而矩阵 A、B 和 C 都是存储在内存中的，又由于 CPU 的速度远远大于访问内存的速度，如果是直接从内存读取和写回计算数据，那么计算效率是非常低下的，由于访问内存会导致时延，CPU 的计算资源被浪费，即计算效率低。为了提高计算速度，引入了 cache 机制，即先把存放在内存中的矩阵 A、B 的元素调入 cache，这样寄存器可以先寻访 cache，访问 cache 的速度要比访问内存的速度快，如果在 cache 中没有所需要的数据时，才需要访问内存。但是，矩阵 A、B 在实际应用中都包含大量的元素，数据量非常分庞大，也即，上述程序中 n 很大，而处理器中的 cache 往往很小，因此不能将整个矩阵全部放入 cache 中。因此需要将这些大的矩阵按照某种方法进行分块，使得分块后的小矩阵可以放入到 cache 中，但是分块又不能随意分，需要有一定的原则去分块，如果分块子矩阵太大，那么子矩阵还是不能全部放入 cache 中，如果分块子矩阵太小，那么为了计算一个大矩阵的数据，需要调入 cache 的子矩阵的次数会增加，因此需要选择合适的分块方法。 2.分块实现矩阵乘法，利用 cache 的局部性，优化程序性能： a) 安装 Linux 系统： b) 查看 Linux 系统 cache 的大小：

高档计算机系统中Cache性能分析

ＣｍｕｎｗｅｅａｄＴｃｎｌｙ电脑知识与技术ｏｐ￣ｒｏｌｎｅｈｏｇＫ内ｏ
Ｖｏ．．２，Ａｇｓ２．］７Ｎｏ２ｕｕｔ０１１
高档计算机系统中Ｃｃｅ性能分析ａｈ
潘继强
（西理Ｔ学院汁算机科学与技术系．西汉中７３０）陕：陕２００
速度的提高始终跟不上ＣＵ的发展，Ｐ据统计，Ｐ的速度平均每年改进６％，组成主存的动态ＲＭ（ＣＵ０Ａ随机存储器）速度平均每年只
改进７，果是ＣＵ和主仔之间的速度间隙平均每年大增５％。处理器运行和存储器访问的速度增长之间存在的差距越来越大，％结Ｐ０这种现象已经成为影响计算机系统性能最主要的瓶颈之一。假设一台计算机的ＣＵ工作速度很快，配备的主存访问速度相对较Ｐ而慢，样就会造成ＣＵ在访存时等待，低了处理器的工作速度．而影响计算机的整体性能。这Ｐ降进解决ＣＵ＿主存的速度差距问题在于保持ＣＵ的能力，高主存的速度。使用硬件技术提高存储芯片的存取速度是一个有效的ＰＩ．ｊＰ提手段，可是在慢速的主存和快速ＣＵ之Ｉ插入一个容量较小的高速存储器起缓冲作用（Ｃｃｅ术）Ｐ开Ｊ即ａｈ技也是解决问题的一个行之有效的方法，得速度和成本之间的矛盾得到较合理的解决。自从１８使９５年Ｉｔ８３６问世以来，ｎｅ０８１在后续的微处理器中都采用了Ｃｃｅａｈ。

实验二-Cache性能分析

实验二-C a c h e性能分析-CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN实验四 Cache性能分析实验目的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。

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。

开发：程志强。

实验内容及步骤首先要掌握MyCache模拟器的使用方法。

（见节）4.3.1 Cache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），然后在表中记录各种情况下的失效率。

地址流文件名： C:\Documents and Settings\user\桌面\Cache性能分析\MyCache模拟器\地址流\5.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），然后在表中记录各种情况下的失效率。

cache控制器设计实验课程设计

cache控制器设计实验课程设计一、课程目标知识目标：1. 让学生理解Cache控制器的基本原理和功能，掌握Cache的工作流程和设计要点。

2. 使学生掌握Cache映射技术和替换策略，并能分析其优缺点。

3. 帮助学生了解Cache性能评估指标，学会使用相关工具进行性能分析。

技能目标：1. 培养学生运用所学知识进行Cache控制器设计的能力，能够完成简单的Cache控制器电路搭建和调试。

2. 提高学生运用相关软件工具进行Cache性能分析和优化方案设计的能力。

情感态度价值观目标：1. 培养学生对计算机组成原理和硬件设计的兴趣，激发学生的创新意识和探索精神。

2. 培养学生良好的团队协作精神，提高沟通与表达能力。

3. 引导学生认识到Cache技术在我国计算机产业发展中的重要性，增强学生的国家使命感和责任感。

课程性质分析：本课程为计算机组成原理与设计领域的实验课程，以Cache控制器设计为主题，结合理论知识，培养学生的实践能力和创新能力。

学生特点分析：学生具备一定的计算机组成原理知识，具有一定的编程和硬件基础，但对Cache控制器设计的相关知识掌握不足，需要通过本课程进行深入学习。

教学要求：1. 结合理论知识，注重实践操作，提高学生的动手能力。

2. 引导学生主动探索，培养学生的创新思维。

3. 强化团队合作，锻炼学生的沟通与协作能力。

4. 注重过程评价，关注学生的学习成果和素质提升。

二、教学内容1. Cache基础知识回顾：介绍Cache的概念、作用，以及Cache与主存、CPU的关系。

相关教材章节：第一章计算机系统概述2. Cache控制器设计原理：讲解Cache控制器的基本组成、工作原理，重点介绍Cache映射技术、替换策略和写策略。

相关教材章节：第三章存储系统3. Cache控制器设计方法：介绍Cache控制器的设计流程，包括电路设计、仿真和验证等环节。

相关教材章节：第六章数字电路设计4. Cache性能评估：讲解Cache性能指标，如命中率、缺失率等，介绍性能评估方法和工具。

计算机系统结构实验报告-MIPS 指令系统和MIPS 体系结构

计算机系统结构实验报告实验名称：MIPS 指令系统和MIPS 体系结构专业年级：0xxxxxxx姓名：xxxxxx计算机系统结构实验报告班级xxxxxxxxxxx 实验日期xxxxxxxxxx 实验成绩姓名xxxxxxxx 学号230xxxxxxxxxx4实验名称Cache性能分析实验目的、要求及器材实验目的：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性能的影响实验平台：采用Cache模拟器MyCache。

实验内容、步骤及结果首先要掌握 MaCache模拟器的使用方法。

1、Cache容量对不命中率的影响选择地址流文件，选择不同的Cache容量，执行模拟器，记录各种情况的不命中率。

表：地址流文件名： eg.din结论：Cache容量越大，不命中率越低.但增加到一定程度时命中率不变。

2、相联度对不命中率的影响表：64KB相联度 1 2 4 8 16 32 不命中率（%）0.89 0.53 0.47 0.45 0.44 0.44地址流文件： all.din图：64KB表：256KB相联度 1 2 4 8 16 32 不命中率（%）0.49 0.38 0.36 0.36 0.35 0.35地址流文件： all.din图：256KB结论：相联路数越多，则不命中率越低，同时，有个极限值，且该极限值随Cache容量大小的增加而减小。

3 Cache块大小对不命中率的影响块大小Cache容量2 8 32 128 51216 18.61 10.12 3.81 1.95 1.4232 14.22 7.59 2.84 1.26 0.8764 12.62 6.47 2.36 0.92 0.60128 12.98 6.35 2.31 0.76 0.47256 16.04 7.29 2.15 0.72 0.40地址流文件：ccl.din结论：不命中率随分块大小的增大先减小后增大，即存在一个最优的分块大小，且该最优分块随Cache容量的增大而增大。

cache实验报告

cache实验报告《cache实验报告》在计算机科学领域中，cache（缓存）是一种用于存储临时数据的高速存储器，用于加快数据访问速度。

在本次实验中，我们对cache进行了一系列的实验，以探究其对计算机系统性能的影响。

首先，我们设计了一个简单的计算机系统模型，包括CPU、内存和cache。

我们使用了不同大小和结构的cache，并对其进行了性能测试。

通过比较不同cache结构下的数据访问速度和命中率，我们发现了cache大小和关联度对性能的影响。

较大的cache和更高的关联度可以显著提高数据访问速度和命中率，从而提升整个系统的性能。

接着，我们对cache的替换策略进行了实验。

我们比较了最常见的替换策略，如LRU（最近最少使用）、FIFO（先进先出）和随机替换。

通过实验结果，我们发现不同的替换策略会对cache的性能产生显著影响。

在某些情况下，合适的替换策略可以提高cache的命中率，从而提高系统的整体性能。

最后，我们对cache的一致性和一致性维护进行了实验。

我们测试了不同的一致性协议，如MESI（修改、独占、共享、无效）协议和MOESI（修改、独占、共享、无效、所有者）协议。

通过实验，我们发现一致性协议的选择对cache的性能和系统的稳定性有着重要影响。

合适的一致性协议可以有效减少数据访问的冲突和错误，提高系统的可靠性和性能。

综上所述，本次实验对cache进行了全面的性能测试和分析，探究了cache对计算机系统性能的影响。

通过实验结果，我们得出了一些重要结论，为优化计算机系统性能提供了重要的参考和指导。

希望本次实验结果能够对相关领域的研究和应用产生积极的影响。

计算机系统中不同组织方式的Cache性能分析

ｆｌｓｉｔｏｕｌａｓｏｃａｉｎ
度，此全相联方式适合容量小的Ｃｃｅ由于主存地址除去７位块因ａｈ．内地址，余为标记字段，记字段较长，要容量较大的ＣＭ．剩标需Ａ
Ｃｃｅ大小、ａｈ的组织方式、ａｈ控制算法有关．ａｈ的ＣｃｅＣｃｅ的
２Ｃａｈｃｅ的组织方式
按照Ｃｃｅ主存之间的映射关系，存有３种组织方式：ａｈ和主 ①
１主存空间ＭＢ
全相联方式，存中的某块可以放人Ｃｃｅ的任意一个位置；直接主ａｈ ②
１Ｃｃｅ的命中率ａｈ
在程序的执行过程中，理器访问存储器中的指令和数据通常是成块访问，一长段时间内，用的块是变动的，在一处在使而小段时间内，理器主要访问存储器中固定的块。ｊ因此可以在Ｃｃｅ中存放主存的部分副本，ＣＵ访问主存时，先判处．ａｈ当Ｐ首
２１全相联方式．
设Ｃｃｅ为８Ｋ，ａｈＢ每行１８Ｂ，６２共４行．主存１ＭＢ共８Ｍ块，，如
图１示．于主存的行和Ｃｃｅ的块之间没有算法约定，ａｈ所由ａｈＣｃｅ的
行除了要存储主存的块内容外，要将对应块的ｌ还３位块地址作为标记（ａ）储起来．ａｈ有１８Ｂ６ｔｇ存Ｃｃｅ２４＝８Ｋ用来存储标记字段的Ｂ，相联存储器（Ａ的容量为１ｉ×６８２ｂｔＣＭ）３ｂｔ４＝３ｉ．

CACHE与主存之间的全相联映射,直接映射和组相联映射的区别

CACHE‎与主存之间‎的全相联映‎射，直接映射和‎组相联映射‎的区别高速缓冲存‎储器的功能‎、结构与工作‎原理高速缓冲存‎储器是存在‎于主存与C‎P U之间的‎一级存储器‎，由静态存储‎芯片(SRAM)组成，容量比较小‎但速度比主‎存高得多，接近于CP‎U的速度。

Cache‎的功能是用‎来存放那些‎近期需要运‎行的指令与‎数据。

目的是提高‎C P U对存‎储器的访问‎速度。

为此需要解‎决2个技术‎问题：一是主存地‎址与缓存地‎址的映象及‎转换；二是按一定‎原则对Ca‎c he的内‎容进行替换‎。

Cache‎的结构和工‎作原理如图‎2.3.1所示。

主要由三大‎部分组成：Cache‎存储体：存放由主存‎调入的指令‎与数据块。

地址转换部‎件：建立目录表‎以实现主存‎地址到缓存‎地址的转换‎。

替换部件：在缓存已满‎时按一定策‎略进行数据‎块替换，并修改地址‎转换部件。

2.3.2 地址映象与‎转换地址映象是‎指某一数据‎在内存中的‎地址与在缓‎冲中的地址‎，两者之间的‎对应关系。

下面介绍三‎种地址映象‎的方式。

1.全相联方式‎地址映象规‎则：主存的任意‎一块可以映‎象到Cac‎h e中的任‎意一块(1) 主存与缓存‎分成相同大‎小的数据块‎。

(2) 主存的某一‎数据块可以‎装入缓存的‎任意一块空‎间中。

全相联方式‎的对应关系‎如图2.3.2所示。

如果Cac‎h e的块数‎为C b，主存的块数‎为M b，则映象关系‎共有Cb×Mb种。

图2.3.3示出了目‎录表的格式‎及地址变换‎规则。

目录表存放‎在相关（联）存储器中，其中包括三‎部分：数据块在主‎存的块地址‎、存入缓存后‎的块地址、及有效位（也称装入位‎）。

由于是全相‎联方式，因此，目录表的容‎量应当与缓‎存的块数相‎同。

举例：某机主存容‎量为1M，Cache‎的容量为3‎2KB，每块的大小‎为16个字‎（或字节）。

划出主、缓存的地址‎格式、目录表格式‎及其容量。