cache性能分析报告
cache硬件设计实验总结
cache硬件设计实验总结
一、实验内容
本次实验主要是简单熟悉cache硬件设计的基础，以及学习cache在系统中的应用。
学习的主要内容有：
1、cache硬件结构，包括cache的分类、cache的结构及工作原理；
2、cache替换算法的概述；
3、cache的动态优化。
二、实验目的
通过本次实验，学生可以掌握cache的硬件结构，理解cache 的替换算法，以及cache的动态优化，为以后学习更深入的cache 知识打下扎实的基础。
三、实验过程
1、首先，学生阅读有关cache硬件结构的相关资料，理解cache的分类、结构及工作原理；
2、然后，学生学习cache的替换算法，如最近最久未使用（LRU）、先进先出（FIFO）、最佳置换（OPT）等；
3、接着，学生了解cache的动态优化，学习cache置换算法的变种，以及新型cache技术，如组织优化（Organize）、负载均衡（Load Balance）等；
4、最后，学生自己动手实现cache的编程，并用调试工具检测cache的程序是否正确。
四、实验总结
经过本次实验，我们对cache的硬件结构、替换算法、动态优化有了更加全面的认识，并且深入理解了cache在系统中的应用，锻炼了我们的编程能力。
同时，我们在实验中，也提升了自己的专业技能，为以后学习打下扎实的基础。
性能测试报告分析
性能测试报告分析本文对公司项目进行的性能测试报告进行了详细分析，旨在发现潜在的性能瓶颈并提出相应的优化建议，以确保系统在高负载情况下能够保持稳定和高效运行。
一、测试环境概况在进行性能测试时，测试环境的搭建是至关重要的。
本次测试使用了XX测试工具，模拟了XX用户数量，对系统进行了XX小时的持续性能测试。
测试环境包括XX操作系统、XX数据库等相关信息，详细数据见附表1。
二、测试结果分析1. 响应时间：根据测试结果显示，系统响应时间在低负载状态下表现良好，但在高负载情况下逐渐增加，最终超出了预期阈值。
特别是在某些关键业务功能上，响应时间甚至超过了3秒，需要引起重视。
2. 吞吐量：系统吞吐量在测试过程中也出现了波动，随着用户数量的增加，吞吐量逐渐下降。
在高负载时，系统吞吐量达到瓶颈，无法满足用户需求。
3. 错误率：在持续性能测试中，系统出现了一定数量的错误率，尤其是在高负载状态下错误率增加更为显著。
这些错误可能导致系统性能下降和用户体验不佳。
三、问题分析1. 数据库优化不足：根据测试结果显示，数据库查询是导致系统性能下降的主要原因之一。
当前的数据库设计、索引等方面存在优化空间，需要进一步优化数据库结构以提升系统性能。
2. 缓存机制不完善：系统在高负载状态下缓存命中率较低，说明当前的缓存机制设计不合理。
应该对缓存策略进行重新评估，提高缓存效率和命中率。
3. 网络请求响应慢：部分网络请求的响应时间超过了预期，可能是由于网络带宽不足或者网络延迟太高导致。
建议优化网络配置，减少网络请求的瓶颈。
四、优化建议1. 数据库优化：对数据库进行性能调优，包括优化查询语句、添加合适的索引、定期清理无用数据等，以减少数据库负载。
2. 缓存优化：重新设计缓存策略，提高缓存命中率，减少对数据库的请求次数，提升系统的性能表现。
3. 网络优化：优化网络配置，包括增加带宽、减少网络延迟等，以提高系统的网络响应速度。
五、总结通过本次性能测试报告的分析，我们发现了系统中存在的性能问题，并提出了相应的优化建议。
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。
计组实验报告
计组实验报告【实验名称】：基于MIPS的Cache设计与实现【实验目的】：通过设计、模拟和测试基于MIPS的Cache，理解和掌握Cache的基本原理和实现方法，加深对计算机组成原理的理解和应用。
【实验设备】：Xilinx ISE Design Suite 14.7、Verilog HDL仿真工具、Mars模拟器。
【实验原理】Cache是计算机系统中重要的存储器层次结构，它可以提高访问速度，降低访问延迟。
Cache是一种由高速存储器和控制电路组成的存储器，它的作用是缓存主存中最近使用过的指令和数据，当下一次需要使用这些指令和数据时，可以直接从Cache中获取，而不需要访问主存，从而提高访问速度。
计算机系统中的Cache存储器既可以用硬件实现，也可以用软件实现。
MIPS Cache包括指令Cache和数据Cache两个部分。
指令Cache用于存储CPU需要的指令，而数据Cache用于存储CPU需要的数据。
Cache中的每一个存储块叫做一个Cache 行，每一个Cache行包括若干字块，每一个字块包括若干字节。
Cache行的大小一般是2^n 个字节。
Cache使用一种叫做Cache命中的技术，通过判断当前CPU需要的数据是否在Cache中来确定是否需要访问主存。
如果当前CPU需要的数据在Cache中，则称为Cache命中，可以直接从Cache中获取数据；如果当前CPU需要的数据不在Cache中，则称为Cache未命中，需要从主存中获取数据。
Cache有三种常见的替换算法：随机替换算法、先进先出（FIFO）替换算法和最近最少使用（LRU）替换算法。
随机替换算法是最简单的方法，它实现起来比较简单，但是效率不高。
FIFO替换算法是一种比较简单的替换算法，它在实现的时候需要维护一个队列来保证替换最早进入Cache的数据，但是这种算法无法适应程序的访存局部性。
LRU替换算法是一种比较复杂的替换算法，它需要维护一个使用时间序列来记录各数据块被使用的时间，当需要替换时，选择使用时间最旧的数据块替换掉。
PPCache产品测试报告
中国电信上海研究院
P2P 缓存设备测试方案
3.1.3 eDonkey 流量分析
测试目的 验证 P2P 缓存系统对于 eDonkey 流量的识别分析功能。 Internet
PPS PCs
测试环境
PPM LBE PPC 1
PPC 2
1. 按照拓扑图配置测试环境。 测试步骤 2. 在 PC 上安装 eDonkey 客户端，在本地以 eDonkey 协议下载文件。
第9页
中国电信上海研究院
P2P 缓存设备测试方案
3.1.5 流媒体类型的流量分析
测试目的 验证 P2P 缓存系统对视频流量（HTTP Streaming 或者 P2P TV）的识别分析功能。
测试环境
1. 按照拓扑图配置测试环境。
测试步骤
2.
在 PC 上访问 HTTP Streaming（YouTube，土豆网，优酷等）和 P2P TV （PPlive、PPstream 等），观看视频。
中国电信上海研究院
2.4 测试设备组网拓扑
Internet PCs
Avlanche
P2P 缓存设备测试方案
PPS Reflector
PPM LBE PPC 1 PPC 2
第5页
中国电信上海研究院
P2P 缓存设备测试方案
3 测试项目
注：测试结果通过以下情况标识：OK 通过；POK 部分通过；NOK 不通过； NT 未测。
第8页
中国电信上海研究院
P2P 缓存设备测试方案
3.1.4 Xunlei 流量分析
测试目的 验证 P2P 缓存系统对于 Xunlei 流量的识别分析功能。 Internet
PPS PCs
测试环境
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。
cache硬件设计实验报告
cache硬件设计实验报告摘要:本文介绍了 cache 硬件设计的基本原理和实现方法，并通过一个具体的实验案例，展示了如何通过 cache 硬件设计来提高计算机系统的性能。
实验过程中使用了 NVIDIA CUDA 平台，实现了一个基于 cache 硬件设计的并行计算框架，用于处理大规模图像数据。
通过实验验证，该框架可以有效地提高图像数据处理的效率，并与传统的并行计算框架进行比较，结果表明 cache 硬件设计可以有效地提高计算机系统的性能。
关键词:cache、硬件设计、并行计算、图像数据处理、CUDA一、实验背景随着计算机图像处理、深度学习等领域的快速发展，对计算机系统的性能提出了更高的要求。
为了提高计算机系统的性能，越来越多的研究人员开始研究基于 cache 硬件设计的并行计算框架。
cache 硬件设计可以通过优化数据访问顺序，提高计算机系统的数据预取能力，从而提高计算机系统的性能。
在图像处理、深度学习等领域中，大量的数据需要进行并行处理，因此 cache 硬件设计成为了一种非常重要的并行计算框架。
二、实验目的本文旨在通过 cache 硬件设计实验，验证 cache 硬件设计对于计算机系统性能的提升作用。
具体实验目的是:1. 验证 cache 硬件设计是否能够提高计算机系统的数据预取能力;2. 验证 cache 硬件设计是否能够提高计算机系统的效率;3. 比较 cache 硬件设计和传统的并行计算框架在图像处理领域的性能差异。
三、实验方案1. 实验环境本文的实验环境采用 NVIDIA CUDA 平台，操作系统为 Linux。
实验中使用的 GPU 为 GeForce GTX 1080，内存为 8GB。
2. 实验框架本文的实验框架采用基于 cache 硬件设计的并行计算框架，具体包括以下三个模块:模块一:cache 硬件设计模块。
该模块实现一个基于 CUDA 点多线程并行计算框架，用于处理大规模图像数据。
4路组相联cache设计实验报告
4路组相联cache设计实验报告实验报告一、实验目的本实验旨在实现4路组相联cache的设计，并用科学方法评价其性能。
二、实验内容（一）实现4路组相联cache实现4路组相联cache的功能，具体内容如下：1. 设计cache结构：设计4路组相联cache的数据结构；2. 编写读取程序：编写程序从cache中读取数据；3. 代码实现：利用设计的结构，实现cache的功能程序；4. 性能评估：采用科学可靠的方法评估程序的性能。
（二）运行实验1. 选择测试数据：采用规范的测试数据集，以便对结果进行科学评价；2. 调参：根据不同特征的数据集，调动cache结构上的参数，以获取最优性能；3. 性能评估：运行不同参数设定，定量评估4路组相联cache性能；4. 绘制图表：根据实验结果，绘制折线图，可视化实验结果。
三、实验结果（一）实验数据实验采用了５张不同特征的数据表作为评估数据，见表1：表1 测试数据表数据集特征Row数 100Column数 10每行中数值型字段 5每行中日期字段 2每行中字符字段 3每行数据大小 100 Byte（二）实验结果1. cache结构改进：依据不同测试数据表，改进cache结构，并增加数据对应的查找时间；2. 程序性能：以三种不同的参数设定ֵ，计算4路组相联cache的运行结果，得出的读取时间与标准时间的误差依次为：－４０％，＋５０％，＋２０％。
3. 结果图表：根据实验结果，绘制折线图，图1为示例：四、结论根据本实验结果，用4路组相联cache实现cache功能，查找数据的时间可以大幅度降低，实现了cache的高性能。
cache实验报告
cache实验报告Cache实验报告一、引言计算机系统中的缓存（Cache）是一种用于提高数据访问速度的技术。
通过在CPU与主存之间插入一个高速缓存存储器，可以减少CPU等待主存数据的时间，从而提高系统的整体性能。
本实验旨在通过实际操作，深入了解并掌握Cache的工作原理。
二、实验目的1. 了解Cache的基本概念和工作原理；2. 学习Cache的组织结构和映射方式；3. 掌握Cache的读写操作流程；4. 分析Cache的命中率和访问延迟。
三、实验环境本实验使用Intel Core i7处理器和8GB内存的计算机。
四、实验步骤1. 确定实验所需的Cache参数，包括Cache大小、Cache块大小和关联度等；2. 设计并编写测试程序，用于模拟不同的内存访问模式；3. 运行测试程序，并记录Cache的读写命中次数和访问延迟；4. 分析实验结果，计算Cache的命中率和平均访问延迟。
五、实验结果与分析1. Cache命中率根据实验数据统计，我们可以计算出Cache的命中率。
命中率是指在所有内存访问中，Cache能够直接从Cache中读取数据的比例。
通过调整Cache的大小和关联度等参数，可以观察到命中率的变化。
实验结果表明，增加Cache的大小和提高关联度可以显著提高命中率。
2. 访问延迟访问延迟是指从CPU发出内存读写请求到实际完成读写操作所需的时间。
通过实验测量，我们可以得到不同访问模式下的平均访问延迟。
实验结果显示，随着Cache大小的增加，访问延迟逐渐减少。
这是因为Cache能够更快地响应CPU的读写请求，减少了CPU等待主存数据的时间。
3. 性能优化通过实验结果的分析，我们可以发现一些性能优化的方法。
首先，合理设置Cache的大小和关联度，可以提高命中率和降低访问延迟。
其次，采用合适的替换算法（如LRU）可以减少缓存失效的次数，提高Cache的效率。
此外，程序的空间局部性和时间局部性对Cache的性能也有重要影响，优化算法和数据结构可以提高程序的局部性，从而提高Cache的命中率。
高速缓存(Cache)的发展和认识
高速缓存技术（Cache）高速缓冲存储器是存在于主存与CPU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CPU对存储器的访问速度。
L1 Cache(一级缓存)是CPU第一层高速缓存，分为数据缓存和指令缓存。
内置的L1高速缓存的容量和结构对CPU的性能影响较大，不过高速缓冲存储器均由静态RAM组成，结构较复杂，在CPU管芯面积不能太大的情况下，L1级高速缓存的容量不可能做得太大。
一般服务器CPU的L1缓存的容量通常在32—256KB。
L2 Cache(二级缓存)是CPU的第二层高速缓存，分内部和外部两种芯片。
内部的芯片二级缓存运行速度与主频相同，而外部的二级缓存则只有主频的一半。
L2高速缓存容量也会影响CPU的性能，原则是越大越好，现在家庭用CPU容量最大的是512KB，而服务器和工作站上用CPU的L2高速缓存更高达256-1MB，有的高达2MB或者3MB。
L3 Cache(三级缓存)，分为两种，早期的是外置，现在的都是内置的。
而它的实际作用即是，L3缓存的应用可以进一步降低内存延迟，同时提升大数据量计算时处理器的性能。
降低内存延迟和提升大数据量计算能力对游戏都很有帮助。
而在服务器领域增加L3缓存在性能方面仍然有显著的提升。
比方具有较大L3缓存的配置利用物理内存会更有效，故它比较慢的磁盘I/O子系统可以处理更多的数据请求。
具有较大L3缓存的处理提供更有效的文件系统缓存行为及较短消息和处理器队列长度。
智能缓存技术是新酷睿家族中极具亮点的特色。
新酷睿家族的处理器是基于Westmere架构的产品，其延续了三级缓存的使用。
其L1缓存的设计与酷睿微架构相同，而L2缓存则采用超低延迟的设计，不过容量大大降低，每个内核仅有256KB，新加入的L3缓存采用共享式设计。
其三级缓存由两颗核心完全共享，它几乎可以处理所有的一致性流量问题，同时不需要单独打扰每颗独立核心自己的L1、L2缓存。
Cache性能
3之3
实际Cache的计算机性能为：
CP 执 U行实时 际 (C间 P 时 U钟周 存期 储数 器停 )时 顿钟 周周 期 (指令 C数 P 指 I 令 (1 数 0.5)0.0 22)5 时钟周 1.7 5指令 时 数 钟周期
两者的性能比为：
C CP P 执 执 U U行 行 实 理时 时 际 想 1 1 ..7 0 间 间 5 指 指令 令 时 时 数 数 钟 钟周 周 1.75 期 期
Cache大小 I-Cache缺失率 D-Cache缺失率 统一Cache缺失率
4KB
1.78%
15.94%
7.24%
8KB
1.10%
10.19%
4.57%
16KB
0.64%
6.47%
2.87%
32KB
0.39%
4.82%
1.99%
《Computer Architecture》
计算机学院
本章内容>> Cache存储系统>>Cache性能>>Cache性能评价
本章内容>> Cache存储系统
Cache性能
Cache性能评价 提高Cache性能
《Computer Architecture》
计算机学院
本章内容>> Cache存储系统>>Cache性能
Cache性能评价
CPU执行时间 平均存储器访问时间（AMAT）
《Computer Architecture》
《Computer Architecture》
计算机学院
本章内容>> Cache存储系统>>Cache性能>>Cache性能评价
cache硬件设计实验总结
cache硬件设计实验总结Cache硬件设计实验总结Cache是计算机系统中的一种高速缓存，用于存储最近被访问的数据，以提高计算机系统的性能。
在计算机系统中，CPU访问内存的速度比访问Cache的速度慢得多，因此，Cache的设计对于计算机系统的性能至关重要。
本文将对Cache硬件设计实验进行总结。
实验目的本次实验的目的是设计一个Cache硬件，实现Cache的读写操作，并测试Cache的性能。
具体实验要求如下：1. 设计一个Cache硬件，包括Cache的大小、块大小、组数、替换策略等参数的设置。
2. 实现Cache的读写操作，包括Cache的读取、写入和替换等操作。
3. 测试Cache的性能，包括Cache的命中率、访问时间等指标。
实验过程1. Cache硬件设计在本次实验中，我们设计了一个4KB大小的Cache，块大小为16B，共有256组。
采用的替换策略是LRU（Least Recently Used，最近最少使用）。
具体的Cache硬件设计如下：（1）Cache的地址结构Cache的地址结构包括标记位、组索引和块内偏移量。
在本次实验中，我们采用了直接映射的Cache结构，因此组索引的位数为8位，块内偏移量的位数为4位。
标记位的位数为16-8-4=4位。
（2）Cache的数据结构Cache的数据结构包括标记位、有效位、块内数据和LRU计数器。
标记位用于存储主存地址的高位，有效位用于表示Cache中的数据是否有效，块内数据用于存储主存地址对应的数据，LRU计数器用于记录Cache中每个块的使用情况。
2. Cache的读写操作Cache的读写操作包括Cache的读取、写入和替换等操作。
具体的操作流程如下：（1）Cache的读取操作当CPU需要读取主存中的数据时，首先会查询Cache中是否存在该数据。
如果存在，则直接从Cache中读取数据；如果不存在，则从主存中读取数据，并将数据存储到Cache中。
Cache性能分析
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。
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。
设计：张晨曦教授（），版权所有。
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。
计算机高速缓冲存储器(Cache)命中率的分析
３ 影 响 Ｃ ｃｅ 中率要 与 Ｃ ｃ ｅ中块 的大 小 、 的大 小 、 ａ ｈ ａｈ ａｈ 组 Ｃ ｃ ｅ容 量 和 Ｃ ｃ ｅ中数 据 的替 换 算 法 和 地 ａｈ 址 流 的簇 聚性 有关 ． ３ １ Ｃ ｃｅ命 中率 与 Ｃ ｃ ｅ 量 的关系 ． ａｈ ａｈ 容 如 果 Ｃ Ｕ每 次需要 访 问 的数 据都存 在 于 Ｃ ｃｅ中 ， Ｐ ａｈ 也就 是 每次访 问 Ｃ ｃ ｅ ａｈ 都命 中 ， 么 Ｃ ｃ ｅ的容量 就 那 ａｈ
解 决 了 Ｃ Ｕ和主存 速度 不 匹配 的 问题 ， ａｈ Ｐ Ｃ ｃ ｅ的大 小 、 容量 的 组织方 式 、 问方 法等 直 接影 响 了 Ｃ Ｕ处理 数 访 Ｐ
据 的速 度 ．
１ 计算 机 存储 器体 系层 的次 结构 介 绍 计算 机 的存 储体 系是 为 了满 足人 们对 计算 机存 储 器 “ 量 大 、 度 快 、 容 速 价格 低 ” 的要 求 而设 计 的． 储 体 存
Ｖ０ ． Ｎｏ ３ １ ２ｌ ． Ｓｅ ２０１ ｐ． ２
计 算 机 高 速 缓 冲 存 储 器 （ ａ ｈ ） 中率 的分 析 Ｃ ｃｅ 命
席 红 旗
（ 南教 育 学 院 信 息 技 术 系 ， 南 郑 ， ４ ０ ４ ） 河 河 ｋ ５０ ６ ｍ １
摘 要 ： Ｃ ｃ ｅ的 容 量 、 间逻 辑 组 织 结 构 的 组 大 小 、 大 小 、 据 的 替 换 算 法 和 写 入 Ｃ ｃ ｅ的数 据 地 址 流 对 从 ａｈ 空 块 数 ａｈ
cache性能评估
那么对于一体cache：
4.44
平均存储器访问时间一体cache =74% （1+0.0318 100） +26% （1+1+0.0318 100）
存储器访问时间和处理器性能
能够用cache缺失引起的平均存储器访问时 间来预测处理器性能呢？
1. 其他原因也可引起停顿； 2. 取决于cpu的类型，如果是乱序就不行了；
存储技术概论
tfzhang@
Cache性能评估
评价cache性能公式：
平均存储访问时间 = 命中时间 + 缺失率×缺失 代价 命中时间：缓冲命中需要的时间。 举个例子：
如果缓存的命中时间为2个cycle，缺失率为0.05， 缺失代价为20个cycle，那么平均存储访问时间是多 少？
回到之前的cpu性能公式：
缺失次数 缺失代价 ） 时钟周期时间 指令数
CPU时间=执行指令数 （指令执行周期数+
CPU时间=执行指令数 （指令执行周期数 [ 时钟周期时间)+
适应本题给出的参数，需要对上述表达式 作必要的变换：
存储器访问次数 （缺失率 缺失代价 时钟周期时间）] 指令数
存储器停顿周期数 缺失次数 = 全部缺失延迟-重叠缺失延迟 缺失次数 指令数
重复之前的例子，假设现在的缺失代价为75ns，并 且其中30%是重叠的，也就是说平均CPU存储器停 顿时间现在为52.5ns。 乱序处理器(OOO)的处理器的平均存储访问时间是：
平均存储器访问时间1路，OOO =1.0 1.25 (0.014 52.5) 1.99ns
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。
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《计算机系统结构课内实验》实验报告一、实验目的及要求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.了解Cache的容量、相联度、块大小对Cache性能的影响；3.掌握降低Cache失效率的各种方法，以及这些方法对Cache性能提高的好处；4.理解Cache失效的产生原因以及Cache的三种失效；5.理解LRU与随机法的基本思想，及它们对Cache性能的影响；二、实验环境Vmware 虚拟机，redhat 9.0 linux 操作系统，SimpleScalar模拟器三、实验内容1.运行SimpleScalar模拟器；2.在基本配置情况下运行程序（请指明所选的测试程序），统计Cache总失效次数、三种不同种类的失效次数；3.改变Cache容量（*2，*4，*8，*64），运行程序（指明所选的测试程序），统计各种失效的次数，并分析Cache容量对Cach e性能的影响；4.改变Cache的相联度（1路，2路，4路，8路，64路），运行程序（指明所选的测试程序），统计各种失效的次数，并分析相联度对Cache性能的影响；5.改变Cache块大小（*2，*4，*8，*64），运行程序（指明所选的测试程序），统计各种失效的次数，并分析Cache块大小对Cache性能的影响；6.分别采用LRU与随机法，在不同的Cache容量、不同的相联度下，运行程序（指明所选的测试程序）统计Cache总失效次数，计算失效率。
分析不同的替换算法对Cache性能的影响。
四、实验步骤1、关于simplescalar的简要说明SimpleScalar包括多个仿真器：sim-fast ,sim－safe,sim-cache,sim-cheetah,sim-pro和sim-outorder。
本次实验使用的是sim-cache，下面说明一下sim-cache。
sim-cache:在这个仿真中加入了cache，用户可以对cache及TLB 进行设置，支持两级的cache和一级的TLB，第一级cache和TLB 均分为数据和指令两部分。
（摘自百度百科）下面简要说明一下有关cache的信息：一般来说，Cache的结构参数主要包括以下几个方面：容量、块大小、相联度、替换算法等。
在SimpleScalar模拟器中，采用了两级Cache结构，同时数据和指令Cache分开。
SimpleScalar的Cache参数配置命令为：<name>:<nsets>:<bsize>:<assoc>:<repl> <name> ：Cache的名称，其中:dl1：一级数据Cache；dl2：二级数据Cache；il1：一级指令Cache；il2：二级指令Cache；dtlb：数据TLB；itlb：指令TLB；<nsets> ：组的数目；<bsize>：块大小；<assoc> ：相联度；<repl> ：替换策略。
此时，Cache容量为：<nsets>*<bsize>*<assoc>。
替换策略主要有以下几种：l ：LRU，最近最少使用；f ： FIFO，先进先出；r ： RANDOM，随机策略。
例如：-cache:dl1 dl1:2048:64:4:r，表示对一级数据cache进行配置，2048表示有2048组，64表示cache块大小为64byte，4表示相联度为4，r表示替换策略为RANDOM。
在此配置下，一级数据cache的容量为2048*64*4=512KB。
由于Simplescalar Spec2000测试程序在其官方网站不能下载，故使用simplescalar模拟器自带的测试程序以及自己设计的一个程序进行测试。
我们所有的实验内容都是对一级数据cache来进行分析的。
在simplescalar中，我们使用的模拟器是sim-cache。
2、 simplescalar模拟器基本配置情况下的运行模拟1.用安装好的simplescalar中的编译器对test.c进行编译，编译后生成了能够在模拟器中可以运行的可执行文件。
命令行运行界面如下图所示：2.我们使用simplescalar中的模拟器sim-cache对a.out模拟执行，执行后的界面如下图所示：3.对运行结果进行分析从上面的运行结果中我们提取出一级数据cache（dl1）的信息进行分析：dl1.accesses 4420 # total number of accesses 一级数据cache上的总访问次数dl1.hits 3963 # total number of hits 一级数据cache上的命中次数dl1.misses 457 # total number of misses 一级数据cache上的失效次数dl1.replacements 201 # total number of replacements一级数据cache 上发生替换的次数dl1.writebacks 190 # total number of writebacks一级数据cache上发生写回的次数dl1.invalidations 0 # total number of invalidations一级数据cache上无效访问的次数dl1.miss_rate 0.1034 # miss rate (i.e., misses/ref) 一级数据cache上的失效率dl1.repl_rate 0.0455 # replacement rate (i.e., repls/ref) 一级数据cache上发生替换的概率dl1.wb_rate 0.0430 # writeback rate (i.e., wrbks/ref) 一级数据cache 上发生写回的概率dl1.inv_rate 0.0000 # invalidation rate (i.e., invs/ref) 一级数据cache上发生无效访问的概率从分析中，我们可以得出，一级数据cache总共的失效次数（dl1.misses）为457次，我们知道容量失效和冲突失效都发生了替换，所以它们的失效次数（dl1.replacements）总共为201次，强制性失效次数为457-201=256次。
一级数据cache的总失效率为0.1034。
3、 Cache容量对Cache性能的影响1.操作说明：改变simplescalar模拟器中的一级数据cache（dl1）的容量配置，我们通过改变组数来改变它的容量。
与此同时固定块大小为32byte、相联度为2以及替换策略为LRU等参数。
2.运行的界面（截取了部分所需的界面）如下图所示：容量为2KB（32*32*2*1）时，容量为4KB（64*32*2*1）时，容量为8KB（128*32*2*1）时，容量为64KB（1024*32*2*1）时，4、Cache相联度对Cache性能的影响1.操作说明改变simplescalar模拟器中的一级数据cache的相联度大小。
与此同时固定cache的容量16KB、块大小32byte以及替换策略为LRU等参数。
2.运行的界面（只截取了部分所需的界面）如下图所示：相联度为1路时，相联度为2路时，相联度为4路时，相联度为8路时，相联度为64路时，5、Cache块大小对Cache性能的影响1.操作说明改变simplescalar模拟器中的一级数据cache的块大小。
与此同时固定Cache的容量为32KB、相联度为2以及替换策略为LRU等参数。
2.运行的界面（只截取了部分所需的界面）如下图所示：块大小为8byte时，块大小为16byte时，当块大小为32byte时，当块大小为64byte时，6、Cache的替换策略对Cache性能的影响1.操作说明改变simplescalar模拟器中的一级数据cache的替换策略。
与此同时固定Cache的块大小为32byte、相联度为2。
在Cache容量为2KB、4KB、8KB和64KB的情况下，分别进行测试。
2.运行的界面（只截取了部分所需的界面）如下图所示：容量为2KB时，使用了LRU替换策略使用了RANDOM策略容量为4KB时，使用了LRU替换策略使用了RANDOM策略容量为8KB时，使用了LRU策略使用了RANDOM策略容量为64KB时，使用了LRU替换策略使用了RANDOM策略五、实验结果1、cache容量对失效率的影响从面的运行结果中，我们提取所需要的一级数据cache的信息，如下表所示：从上表，我们可以分析出，随着cache容量的不断增加，程序的失效率不断降低。
容量失效和冲突失效的次数随着cache容量的增加不断地减少，而强制性失效次数则不断地增加。
2、相联度对失效率的影响从上面的运行结果中，我们提取所需要的一级数据cache的信息，如下表所示：从上表，我们可以分析得出，随着相联度的增加，程序的失效率逐渐降低，但降低的幅度比较小。
容量失效和冲突失效的次数随着相联度的增加不断地减少，而强制性的失效次数则不断地增加。
3、块大小对失效率的影响从上表，我们可以分析得出，随着块大小的增加，程序的失效率逐渐地降低。
容量失效和冲突失效的次数随着块大小的增加，基本维持在一个稳定的值，而强制性的失效次数则不断地降低，且幅度比较大。
4、替换策略对失效率影响从上表我们可以分析得出，最近最少使用策略（LRU）相对较好，但它与随机策略在一定的cache容量范围内相差不大。
容量失效和冲突失效次数，使用LRU替换策略的情况下，比较少；而强制性失效次数，使用RANDOM替换策略的情况下，比较少。
六、总结本实验基于cache的失效率的基本策略，在多种方法中选择探究改变各项指标对性能的影响，在实验中我们发现很多指标的改变并不能如预期中一样改变性能，失效率的降低伴随着硬件开销的增加，时间开销的增加，但并不是一味增加硬件，增加时间就能取得良好的收效，相反，在不同的程序执行过程中呈现出对不同方法的特别的适应性。
通过本次实验，我对cache的失效率的降低方法有了新的认识，同时体会到实验分析对于性能提高的主要性。