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计算机系统结构实验报告

名称： Cache性能分析学院：信息工程

姓名：陈明

学号： S121055

专业：计算机系统结构

年级：研一

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.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；

实验平台

Vmware 虚拟机，redhat 9.0 linux 操作系统，SimpleScalar模拟器

实验步骤

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Cache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。

预备知识

1. SimpleScalar模拟器的相关知识。详见相关的文档。

2. 复习和掌握教材中相应的内容

（1）可以从三个方面改进Cache的性能：降低失效率、减少失效开销、减少Cache命中时间。

（2）按照产生失效的原因不同，可以把Cache失效分为三类：

①强制性失效（Compulsory miss）

当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，这就是强制性失效。这种失效也称为冷启动失效或首次访

问失效。

②容量失效（Capacity miss）

如果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，就会发生失效。这种失效称为容量失效。

③冲突失效（Conflict miss）

在组相联或直接映象Cache中，若太多的块映象到同一组（块）中，则会出现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。这就是发生了冲突失效。这种失效也称为碰撞失效（collision）或干扰失效（interference）。

（3）降低Cache失效率的方法：增加Cache块大小、提高相联度、Victim Cache、伪相联Cache、硬件预取技术、由编译器控制的预取和编译器优化。

（4）替换算法

①随机法：为了均匀使用一组中的各块，这种方法随机地选择被替换的

块。

②最近最少使用法LRU（Least Recently Used）：选择近期最少被访

问的块作为被替换的块。但由于实现比较困难，现在实际上实现的LRU 都只是选择最久没有被访问过的块作为被替换的块。

实验内容

一关于simplescalar的简要说明

SimpleScalar包括多个仿真器：sim-fast ,sim－safe,sim-cache,sim-cheetah,sim-profile,sim-bpred,sim-eio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：::::

：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；

：组的数目；

：块大小；

：相联度；

：替换策略。此时，Cache容量为：**。

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。

自带的测试程序是在/root/simplescalar/simplesim-3.0/tests-pisa/bin.little目录下的test-math，test-fmath，test-llong以及test-printf。

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。