实验6Cache性能分析
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。
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。
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。
Cache性能分析
第22卷第1期新乡教育学院学报2009年3月 V ol.22,N o.1JOURNA L OF XINXIANG E DUCATION COLLEGE M AR,2009 Cache性能分析Ξ程军锋(陇南师范高等专科学校,甘肃陇南742500)摘 要:随着计算机CPU的速度越来越快,计算机主存和CPU之间速度差异问题也日益突出,已经严重影响了计算机系统性能的提高。
现已有多种技术改进主存的存取速度来提高计算机系统性能,其中通过Cache提高存储系统速度是广泛采用的一种技术。
笔者主要介绍Cache的基本工作原理,同时也分析了引入Cache后计算机系统的性能,并介绍了一些改进Cache性能的方法。
关键词:高速缓冲存储器;命中率;加速比;失效;映射中图分类号:TP3 文献标识码:A 文章编号:1672Ο3325(2009)01Ο0111Ο03作者简介:程军锋(1980Ο),男,甘肃礼县人,助教。
研究方向:计算机基础理论教学。
计算机发展到现在,CPU主频的提升使得计算机系统性能有了极大地提高,但计算机系统性能提高不仅取决于CPU的性能,还与系统结构、指令系统、数据在各部件间的传送速度及存储部件的存取速度等因素有密切关系,特别是与CPU和主存之间的存取速度有着很大的关系。
如果CPU工作速度较快,而主存访问速度相对较慢,这样就会造成CPU 等待,浪费CPU的性能,降低处理器速度,进而影响计算机整体性能。
长期以来,计算机工作者一直研究解决主存与CPU的速度差异问题的方法,已有多种技术用来提高主存的访问速度,其中通过Cache(高速缓冲存储器)来提高存储系统速度就是一种有效的技术。
Cache是容量较小但速度快的半导体随机存储器,位于CPU和大容量主存之间,但存取速度比主存快得多。
它的作用是为CPU提供一个速度与之相当,而容量与主存相同的存储系统,以解决CPU和主存间速度不匹配的一项技术。
这种技术可在计算机系统成本增加很小的前提下,使计算机性能得到明显的提升。
西安邮电大学-Cache性能分析实验报告
西安邮电大学（计算机学院）课实验报告实验名称： cache性能分析专业名称：软件工程班级：学生：学号（8位）：指导教师：锐实验日期： 2015年5月20日1 实验目的(1)加深对Cache的基本概念、基本组织结构以与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。
2 实验平台采用MyCache模拟器。
MyCache模拟器的使用方法：(1) 双击MyCache.exe，启动模拟器。
(2) 系统打开操作界面，如以下图所示：(3)写不命中时的调块策略。
可以直接从列表中选择。
(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，则可以通过单击“浏览”按钮，从模拟器所在文件夹下的“地址流”文件夹中选取地址流文件（.din）文件，然后执行。
执行得方式可以是单步，也可以选择一次执行完毕。
如果选择手动输入，就可以在“执行控制”区域中输入块地址，然后单击“访问”按钮。
系统会在界面的右边显示访问类型、地址、块号以与块地址。
(5) 模拟结果包括：●访问总次数，总的不命中次数，总的不命中率。
●读指令操作的次数，其不命中次数与其不命中率。
●读数据操作的次数，其不命中次数与其不命中率。
●写数据操作的次数，其不命中次数与其不命中率。
●手动输入单次访问的相关信息。
3 实验容和步骤3.1 Cache容量对不命中率的影响(1) 启动MyCache。
(2) 单击“复位”按钮，将各参数设置为默认值。
(3) 选择一个地址流文件。
具体方法：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，4 KB，8 KB，16 KB，32 KB，64 KB，128 KB和256 KB，分别执行模拟器（单击“执行到底”按钮就可执行），然后在表1.1中记录各种情况下的不命中率。
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。
第十讲(cache存储器)要点课件
当缓存满了，需要替换数据块时，LFU算法会选择最不经常使用的数据块进行替换。这种算法能够提 高缓存命中率，但实现起来较为复杂，需要记录每个数据块的访问频率。
04
Cache存储器的性能分析
Cache存储器的命中率
01
02
03
命中率
衡量Cache存储器效率的 重要指标，指程序访问 Cache成功命中的次数与 总访问次数的比值。
影响因素
Cache容量、块大小、程 序特性、替换策略等。
优化策略
根据程序特性调整Cache 容量和块大小，采用合适 的替换策略，以提高命中 率。
Cache存储器的效率
效率
指Cache存储器完成一次 访问所需的时间与直接访 问存储器所需时间的比值 。
影响因素
Cache访问速度、块大小 、Cache层次结构等。
第十讲(cache存储器)要点 课件
contents
目录
• Cache存储器概述 • Cache存储器与主存的映射方式 • Cache存储器的替换算法 • Cache存储器的性能分析 • Cache存储器的优化策略
01
Cache存储器概述
Cache存储器的定义
01
Cache存储器是一种高速缓冲存 储器，用于暂时存储CPU经常访 问的指令和数据，以便快速访问 和提高系统性能。
组相联映射
总结词
一种折中的映射方式，将主存中的块分组，每组内的 块映射到Cache的固定块位置。
详细描述
组相联映射方式中，将主存中的块分成若干组，每组 内的块具有固定的对应关系。Cache被划分为与主存 组数相同的组，每个组中的块可以存储主存中对应组 内的任意一块数据。当访问主存时，首先确定访问的 块属于哪个组，然后在Cache中查找该组对应的块， 如果有则将数据读入Cache块中，否则需要将数据从 主存中读取并替换掉Cache中的某块数据。这种方式 的优点是查找时间较短且具有一定的灵活性，缺点是 仍然存在Cache浪费的问题。
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。
利用高速缓存(Cache)的局部性优化矩阵乘法
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：
实验5 Cache实验
深圳大学实验报告课程名称：计算机系统(2)实验项目名称：Cache实验学院：计算机与软件学院专业：计算机与软件学院所有专业指导教师：罗秋明报告人：学号：班级：实验时间：2017年6月6日实验报告提交时间：2017年6月9日教务处制一、实验目标：了解Cache对系统性能的影响二、实验环境：1、个人电脑（Intel CPU）2、Fedora 13 Linux 操作系统三、实验内容与步骤1、编译并运行程序A，记录相关数据。
2、不改变矩阵大小时，编译并运行程序B，记录相关数据。
3、改变矩阵大小，重复1和2两步。
4、通过以上的实验现象，分析出现这种现象的原因。
程序A：#include <sys/time.h>#include <unistd.h>#include <stdio.h>main(int argc,char *argv[]){float *a,*b,*c, temp;long int i,j,k,size, m;struct timeval time1,time2;if(argc<2) {printf("\n\tUsage:%s <Row of square matrix>\n",argv[0]);exit(-1);} //ifsize=atoi(argv[1]);m =size*size;a=(float*)malloc(sizeof(float)*m);b=(float*)malloc(sizeof(float)*m);c=(float*)malloc(sizeof(float)*m);for(i=0;i<size;i++) {for(j=0;j<size;j++) {a[i*size+j]=(float)(rand()%1000/100.0);b[i*size+j]=(float)(rand()%1000/100.0);}gettimeofday(&time1,NULL);for(i=0;i<size;i++){for(j=0;j<size;j++){c[i*size+j]=0;for(k=0;k<size;k++)c[i*size+j]+=a[i*size+k]*b[k*size+j];}gettimeofday(&time2,NULL);_sec-=_sec;_usec-=_usec;if(_usec<0L) {_usec+=1000000L;_sec-=1;}printf("Executiontime=%ld.%6ld seconds\n",_sec,_usec);} //forreturn(0);}//main程序B：#include <sys/time.h>#include <unistd.h>#include <stdio.h>main(int argc,char *argv[]){float *a,*b,*c,temp;long int i,j,k,size,m;struct timeval time1,time2;if(argc<2){printf("\n\tUsage:%s <Row of square matrix>\n",argv[0]);exit(-1);}size=atoi(argv[1]);m=size*size;a=(float*)malloc(sizeof(float)*m);b=(float*)malloc(sizeof(float)*m);c=(float*)malloc(sizeof(float)*m);for(i=0;i<size;i++)for(j=0;j<size;j++){a[i*size+j]=(float)(rand()%1000/100.0);c[i*size+j]=(float)(rand()%1000/100.0);}gettimeofday(&time1,NULL);for(i=0;i<size;i++)for (j=0;j<size;j++){b[i*size+j]= c[j*size+i];for (i=0;i<size;i++)for(j=0;j<size;j++){c[i*size+j]= 0;for (k=0;k<size;k++)c[i*size+j]+=a[i*size+k]*b[j*size+k];} //forgettimeofday(&time2,NULL);_sec-=_sec;_usec-=_usec;if(_usec<0L){_usec+=1000000L;_sec-=1;}printf("Executiontime=%ld.%6ld seconds\n",_sec,_usec);}//forreturn(0);}四、实验结果及分析1、用C语言实现矩阵（方阵）乘积一般算法（程序A），填写下表：分析：由下图1，可得到上表的结果，程序主要代码如下所示，对二维数组b是跳跃的，类似下表1的访问顺序，这样导致了程序的空间局部性很差：for(j=0;j<size;j++){c[i*size+j] = 0;for (k=0;k<size;k++)c[i*size+j] += a[i*size+k]*b[k*size+j];}表1图22、程序B是基于Cache的矩阵（方阵）乘积优化算法，填写下表：分析：由下图4可以得到上表的数据，由下面主要代码可知，优化后的代码访问数组b的顺序类似下图3，这样相对程序A对cache的命中率大大得到了提高：for(j=0;j<size;j++){c[i*size+j] = 0;for (k=0;k<size;k++)c[i*size+j] += a[i*size+k] *b[j*size+k];} //for表2以下图说明为什么程序B的空间局部性好：图43、优化后的加速比（speedup）加速比定义：加速比=优化前系统耗时/优化后系统耗时；所谓加速比，就是优化前的耗时与优化后耗时的比值。
cache以及命中率
cache以及命中率cache n. 高速缓冲存储器一种特殊的存储器子系统，其中复制了频繁使用的数据以利于快速访问。
存储器的高速缓冲存储器存储了频繁访问的RAM 位置的内容及这些数据项的存储地址。
当处理器引用存储器中的某地址时，高速缓冲存储器便检查是否存有该地址。
如果存有该地址，则将数据返回处理器；如果没有保存该地址，则进行常规的存储器访问。
因为高速缓冲存储器总是比主RAM 存储器速度快，所以当RAM 的访问速度低于微处理器的速度时，常使用高速缓冲存储器。
Cache的出现是基于两种因素：首先，是由于CPU的速度和性能提高很快而主存速度较低且价格高，第二就是程序执行的局部性特点。
因此，才将速度比较快而容量有限的SRAM构成Cache，目的在于尽可能发挥CPU的高速度。
很显然，要尽可能发挥CPU的高速度就必须用硬件实现其全部功能。
Cache与主存之间可采取多种地址映射方式，直接映射方式是其中的一种。
在这种映射方式下，主存中的每一页只能复制到某一固定的Cache页中。
由于Cache块(页)的大小为16B，而Cache容量为16KB。
因此，此Cache可分为1024页。
可以看到，Cache的页内地址只需4位即可表示；而Cache的页号需用10位二进制数来表示；在映射时，是将主存地址直接复制，现主存地址为1234E8F8(十六进制)，则最低4位为Cache的页内地址，即1000，中间10位为Cache的页号，即1010001111。
Cache的容量为16KB决定用这14位编码即可表示。
题中所需求的Cache的地址为10100011111000。
Cache中的内容随命中率的降低需要经常替换新的内容。
替换算法有多种，例如，先入后出(FILO)算法、随机替换(RAND)算法、先入先出(FIFO)算法、近期最少使用(LRU)算法等。
这些替换算法各有优缺点，就以命中率而言，近期最少使用(LRU)算法的命中率最高。
浏览器缓存缓存用于存储一些临时的文件。
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。
计算机系统结构
第一章例1.1 将计算机系统中某一功能的处理速度提高到原来的20倍，但该功能的处理时间仅占整个系统运行时间的40%，则采用此提高性能的方法后，能使整个系统的性能提高多少？ 解 由题可知，可改进比例 = 40% = 0.4， 部件加速比 = 20 根据Amdahl 定律可知：采用此提高性能的方法后，能使整个系统的性能提高到原来的1.613倍。
例1.2 某计算机系统采用浮点运算部件后，使浮点运算速度提高到原来的20倍，而系统运行某一程序的整体性能提高到原来的5倍，试计算该程序中浮点操作所占的比例。
解 由题可知，部件加速比 = 20，系统加速比 = 5 根据Amdahl 定律可知()20115可改进比例可改进比例+-=由此可得：可改进比例 = 84.2% 即程序中浮点操作所占的比例为84.2%。
例 1.3 A common transformation required in graphics processors is square root. Implementations of floating-point (FP) square root vary significantly in performance, especially among processors designed for graphics. Suppose FP square root (FPSQR) is responsible for 20% of the execution time of a critical graphics benchmark. One proposalis to enhance the FPSQR hardware and speed up this operation by a factor of 10. Theother alternative is just to try to make all FP instructions in the graphics processor run faster by a factor of 1.6; FP instructions are responsible for half of the execution time for the application. The design team believes that they can make all FP instructions run 1.6 times faster with the same effort as required for the fast square root. Compare these two design alternatives.例1.4Suppose we have made the following measurements:Frequency of FP operations = 25%Average CPI of FP operations = 4.0Average CPI of other instructions = 1.33Frequency of FPSQR= 2%CPI of FPSQR = 20Assume that the two design alternatives are to decrease the CPI of FPSQR to 2 or to decrease the average CPI of all FP operations to 2.5. Compare these two design alternatives using the processor performance equation.解首先可求出两种情况下原始的CPI值：CPI原始=(4×25%)+(1.33 × 75%)= 2.0可以通过改进FPSQR部件缩减的时钟周期计算，改进后的CPI采用FPSQR技术CPI采用FPSQR技术＝CPI原始–2%*(CPIFPSQR –CPI仅采用FPSQR )= 2- 2% (20-2)=1.64而采用新的FP指令所需要的CPI采用FP值CPI采用FP =(75% × 1.33)+(25% × 2.5)= 1.625第二章例题：某应用程序，简单的基本指令占80%，而复杂指令占20%，在传统CISC计算机上运行，简单指令的CPI=4，复杂指令的CPI=8，而在RISC计算机上运行只有简单指令，其CPI=1，复杂指令用简单指令合成实现。
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性能解读
本章内容>> Cache存储系统>>Cache性能>>提高Cache性能>>降低缺失代价>>多级Cache
2 之 1
设计考虑
第二级Cache的容量？ 采用大容量设计。因为第一级Cache中的所有 信息都可能会出现在第二级Cache中，所以第二 级Cache应该比第一级Cache大得多。如果第二 级Cache只是稍微大一点，则局部缺失率会很高。
3 之 3
例 子（续）
实际Cache的计算机性能为：
CPU执行时间 实际 (CPU时钟周期数 存储器停顿周期数 ) 时钟周期 (指令数 CPI 指令数 (1 0.5) 0.02 25) 时钟周期 1.75 指令数 时钟周期
两者的性能比为：
CPU执行时间 实际 1.75 指令数 时钟周期 1.75 CPU执行时间 理想 1.0 指令数 时钟周期
Cache大小 I-Cache缺失率 D-Cache缺失率 统一Cache缺失率 4KB 8KB 16KB 32KB
《Computer Architecture》
1.78% 1.10% 0.64% 0.39%
15.94% 10.19% 6.47% 4.82%
7.24% 4.57% 2.87% 1.99%
AMAT 50) 25% (1 10.19% 50) 2.686 split 75% (1 1.10%
AMAT 50) 25% (1 1 2.87% 50) 2.685 unified 75% (1 2.87%
尽管分立Cache具有较高的缺失率，但其AMAT与统 一Cache的AMAT是基本相同的，可见哈佛结构有优势。 大多数现代处理器都采用分立Cache技术。
2路组相连cache设计课程设计
2路组相连cache设计课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生理解2路组相连Cache的基本原理，掌握其数据存储和访问机制。
2. 学生掌握Cache的映射方式，能解释2路组相连映射的特点及其优势。
3. 学生能够运用Cache概念，计算出命中率和缺失率，理解其性能指标。
技能目标：1. 学生具备设计和实现2路组相连Cache的能力，能够使用相关工具或软件模拟其工作过程。
2. 学生能够分析Cache性能，针对给定场景提出优化策略，提高存储系统的效率。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对计算机组成原理中存储系统知识的学习兴趣，增强其对硬件基础知识的重视。
2. 学生通过小组合作完成任务，培养团队协作能力和沟通技巧，提高解决问题的信心和自主学习能力。
3. 学生能够认识到存储技术在实际应用中的重要性，激发对相关领域技术发展的关注和探索精神。
课程性质：本课程为计算机科学与技术专业课程，以理论讲授与实践操作相结合的方式展开。
学生特点：学生已具备一定的计算机硬件基础知识，具有较强的逻辑思维能力和动手操作能力。
教学要求：结合课程性质和学生特点，通过本课程的学习，使学生在理解理论知识的基础上，能够独立设计和实现2路组相连Cache，提高其解决实际问题的能力。
同时，注重培养学生的团队协作和情感态度价值观，为后续相关课程学习打下坚实基础。
二、教学内容1. Cache基本概念与原理- Cache的作用与意义- Cache的分类与结构- 2路组相连Cache的存储原理2. Cache映射方式- 直接映射、全相连映射与组相连映射- 2路组相连映射的特点与优势- 映射策略对Cache性能的影响3. Cache性能分析- 命中率与缺失率的计算- Cache性能指标：访问时间、带宽等- 影响Cache性能的因素4. 2路组相连Cache设计- 设计原理与步骤- Cache容量、块大小和组数的选取- 地址映射与替换策略5. Cache优化策略- 降低缺失率的策略- 提高命中率的策略- 性能优化案例分析6. 实践操作- 使用工具或软件模拟2路组相连Cache- 设计和实现2路组相连Cache，并分析性能- 针对给定场景，提出并实施优化策略教学内容安排与进度：本教学内容分为6个部分，按照教材章节顺序进行。
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。
cache缺页课程设计
cache缺页课程设计一、课程目标知识目标：1. 理解Cache的基本概念，掌握Cache的工作原理和缺页中断发生的条件；2. 学习并掌握Cache的替换策略，如LRU、FIFO等；3. 掌握Cache的性能评价指标，如命中率、缺失率等。
技能目标：1. 能够运用Cache的概念和原理分析实际计算机系统中的存储优化问题；2. 学会设计简单的Cache替换策略，并通过模拟实验验证其效果；3. 能够运用性能评价指标评估不同Cache策略的优劣。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对计算机系统结构的兴趣，激发他们探索存储优化技术的热情；2. 培养学生的团队合作精神，使他们学会在小组讨论中相互学习、共同进步；3. 培养学生严谨的科学态度，使他们认识到计算机技术在实际应用中的重要性。
本课程针对高中年级学生，结合计算机科学知识，注重理论与实践相结合。
课程性质为选修课，旨在帮助学生深入理解计算机系统结构，掌握Cache相关知识。
根据学生的认知水平和兴趣，课程设计力求生动有趣、实践性强。
通过本课程的学习，学生将能够提高自己的计算机素养，为未来进一步学习计算机科学打下坚实基础。
二、教学内容1. Cache的基本概念与工作原理- Cache的定义、作用和位置- Cache与主存储器的层次结构- 缺页中断与缺页置换2. Cache替换策略- LRU（最近最少使用）策略- FIFO（先进先出）策略- 随机替换策略- 最优替换策略3. Cache性能评价指标- 命中率、缺失率、失误率- 访问时间、缺失处理时间- 性能曲线分析4. 实践操作与案例分析- Cache模拟软件的使用- 设计并实现简单的Cache替换策略- 分析不同策略对性能的影响5. 小组讨论与总结- 分组讨论Cache在实际应用中的优化问题- 总结各类Cache策略的优缺点- 探讨Cache技术在未来发展趋势教学内容参照教材相关章节，结合课程目标进行系统组织。
课程进度安排合理，确保学生能够逐步掌握Cache知识，并通过实践操作和案例分析，提高分析问题和解决问题的能力。
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实验6 Cache 性能分析
6.1 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 的容量、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Cache 性能提高的好处；
4. 理解LRU 与随机法的基本思想以及它们对Cache 性能的影响；
6.2 实验平台
实验平台采用Cache 模拟器My Cache 。
6.3 实验内容及步骤
首先要掌握My Cache 模拟器的使用方法。
6.3.1 Cache 的容量对不命中率的影响 1. 启动MyCache 模拟器。
2. 用鼠标单击“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 和256KB 。
分
别执行模拟器（单击“执行到底”按钮即可执行），然后在表5.1中记录各种情况下的不命中率。
地址流文件名： E:\cjh\系统结构模拟器\MyCache 模拟器\地址流\all.din 5. 以容量为横坐标，画出不命中率随Cache 容量变化而变化的曲线，并指明地址流文件名。
不命中率随Cache容量变化图
0.00%
2.00%4.00%6.00%8.00%10.00%12.00%2
4
8
16
32
64
128
Cache容量（KB）
不命中率
6据结果，你能得出什么结论？
6.3.2 相联度对不命中率的影响
1. 用鼠标单击“复位”按钮，把各参数设置为默认值。
此时的Cache 的容量为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路和32路。
分别执行
模拟器（单击“执行到底”按钮即可执行），然后在表5.2中记录各种情况下的不命中
率。
地址流文件名： E:\cjh\系统结构模拟器\MyCache 模拟器\地址流\cc1.din 4. 把Cache 的容量设置为256KB ，重复3的工作，并填写表5.3。
5. 以相联度为横坐标，画出在64KB 和256KB 的情况下不命中率随Cache 相联度变化而变
化的曲线，并指明地址流文件名。
Cache 容量为64K 时
:
不同相联度下Cache的不命中率
0.00%
0.50%1.00%1.50%2.00%2.50%1
2
48
16
相联度
不命中率
Cache 容量为256K 时:
不同相联度下Cache的不命中率
0.00%
0.20%0.40%0.60%0.80%1.00%1.20%1
2
48
16
相联度
不命中率
6. 根据该模拟结果，你能得出什么结论？
7.
当cache 容量一定时，不命中率先是随着相联度地增加而减小的的，但增加到一定程度后，不命中率不会再降低。
当相联度相同，相联度较小时，cache容量越大不命中率就越低，但当相联度到达一定
程度时，再增大cache容量就没有任何意义
6.3.3 Cache块大小对不命中率的影响
1.用鼠标单击“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.选择不同的Cache块大小，包括16B、32B、64B、128B、和256B。
对于Cache的各种容
量，包括2KB、8KB、32KB、128KB和256KB。
分别执行模拟器（单击“执行到底”按钮
即可执行），然后在表5.4中记录各种情况下的不命中率。
地址流文件名： E:\cjh\系统结构模拟器\MyCache模拟器\地址流\eg.din 4.分析Cache块大小对不命中率的影响。
6.3.4 替换算法对不命中率的影响
1.用鼠标单击“复位”按钮，把各参数设置为默认值。
2.选择地址流文件all.din。
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），然后在表5.5中记录各种情况下的不命中率。
4.分析不同的替换算法对不命中率的影响。
1)LRU和随机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；
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随机算法的不命中
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。