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.din

Cache 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 1.54

Cache 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 32 128 512

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%

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。

（2）在Cache行一定的情况下，Cache不命中率随着Cache容量的增加不断减小。

4.替换算法对不命中率的影响：

设置：Cache 大小设置如下，Cache 行大小：64B 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：tex.din

表5 替换算法对不命中率的影响 Cache 的容量

相联度

2路 4路 8路 LRU

FIFO RAND LRU FIFO RAND LRU FIFO RAND 16KB 0.09% 0.10% 0.37% 0.09% 0.11% 0.11% 0.10% 0.11% 0.33% 64KB 0.07% 0.08% 0.10% 0.07% 0.07% 0.07% 0.07% 0.07% 0.07% 256KB 0.07% 0.07% 0.07% 0.07% 0.07% 0.07% 0.07% 0.07% 0.07% 1MB

0.07%

0.07%

0.07%

0.07%

0.07%

0.07%

0.07%

0.07%

0.07%

结论：（1）LRU 、FIFO 、RAND 算法的不命中率随着相联度的增加而减少且随着cache 容量的增加而减少，但是当Cache 容量达到一定程度时，命中率和替换算法无关。

（2）在相联度相同，cache 容量相同时，使用LRU 替换算法的不命中率比其他的算法的不命中率小；

（3）当cache 容量增大到一定程度，相联度达到一定程度时，不命中率不会再降低，且与算法的选择关系不大。

5.降低不命中率的方法

通过以上对Cache 性能的分析，我们可以看出要提高命中率可以采取以下方法： （1）增加Cache 块大小 （2）增加cache 容量 （3）提高相联度

二、关于程序实现：

说明：程序没有实现出来，只有一些思路 （1）命中率的计算：

假设Cache 容量为16KB ，块大小为16B ，相联度为4路，那么： 1路大小为4B ，所以字地址位数为2

Cache 块数：

104142221616==B

B

B KB ，所以组号位数为10 剩下的就是tag 位了

由于所给的程序中的数据都是16进制的，那么我们要做的工作包括： ①把16进制转换为二进制

②对数据进行扩展，统一扩展为32位（不足的补0） ③截取tag 标志位

设置一个用于记录命中的count

tag 组号 字地址

命中率的计算就以tag位的比较为主：

tag位相同就表示命中（count++），否则就没命中

（2）替换算法

LRU替换算法：

可以使用计数器方法：

Step1：

被调入或者被替换的块，其计数器清“0”，而其它的计数器则加“1”。

Step2：

当访问命中时，所有块的计数值与命中块的计数值要进行比较，如果计数值小于命中块的计数值，则该块的计数值加“1”；如果块的计数值大于命中块的计数值，则数值不变。最后将命中块的计数器清为0。

Step3：

需要替换时，则选择计数值最大的块被替换。

RAND替换算法：

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，这里需要设置一个随机数产生函数。

FIFO替换算法：

可以设置一个标志first = 1，然后给每一个数据一个sequence标志位

数据进来时：sequence = first；

first++；

那么替换的时候我们就替换带哦sequence 排在最前面的数据

（3）写回法和写直达法

写回法：

执行“写”操作时，只写入Cache，仅当Cache中相应的块被替换时，才写回主存。

这里，需要设置一个“修改位”-Dirty，当某行被换出时，根据此行修改位是1还是0，决定是将该行内容写回主存还是简单的丢弃。

如果Cache写未命中写回法的处理：为包含欲写字的贮存快在cache分配一行，将此块整个拷贝到Cache后对其进行修改。

写直达法：

写直达法不需要设置一个修改位，写cache与写主存同步进行