cache性能分析报告实验报告材料
体系结构试验报告(cache存储过程)
体系结构实验报告实验目的通过程序，模拟cache存储过程，并通过控制变量法模拟分析Cache性能实验步骤:我们要通过老师所给程序进行模拟，并通过操作系统试验中老师所给算法生成出project.txt ，并通过project.txt 里面的数据来模拟程序的局部性等特性。
实验结果1、比较关联方式，控制blockSize, CacheSize 不变:（1）、Direct_mapped(2) 、Set_associate:(3) 、Fully_associate通过上述三个比较可以看出，各种映射有自己的优点。
但是不难看出，增大关联度会减小miss rate，但是增加到一定程度又会有抑制作用。
2.比较Cache大小对于性能的影响。
（1）、Direct_mapped，Cache容量为64 时：(2rDirecflmapped〉Cache朿*R128 手(3r Direcflmapped〉Cache助*R256口F一pwsef 峑s 2O J I 0\^J.e e K ^g 63-L w g <J g -f aJnnnrEd理"巧 nmrMecIrlxMLH肆一事呼LJw匸-dJ-LUfJF U »»a iB cinIJr ltRn x li 黑鱼*=£1K s 1!蚯c a p w p llrt t M:C4mw JLl n rll n i H HHi L n h != l£lx-瞌忻恥f*<41.匸«F 23L L/2\.*X «礼 j !H F i <n对比实验结果，不难发现，随着Cache容量的增加，Cache的命中率一直在提升。
分析原因发现，虽然Cache容量大了，但并不等于其预存的内容增多，所以命中率会上升。
3、比较Cache大小对于性能的影响。
（1）、Direct_mapped，关联度为 1 时：(2)、Direct_mapped，关联度为2 时:(3)、Direct_mapped，关联度为4 时:(4) 、Direct mapped ，关联度为 8 时:I ■ C -\LI wrs 1.11uwei mo\Dw_-m e ts'_Vi EUUI I ^tud o l£f Pre e-crE\tt. q\Dfft!uq\ti'g.-i-j rIE Is-* -IrMHiF OP n tiny Ret U <A lun f 1± flhissH41# a 聊C4pnic4tv Conflictnx5S(5) 、Direct map ped ，关联度为 16 时:可以看出，随着关联度的提高，命中率也有所增加Canipuilsnry 1XSE-hH MuflfafiP = I44.MIUUM1Ace R -S3 NumWr ■寸-F口寸 灭 」eqlunu>loo-q〈 p ①ddelu —10①」一q <(L)S33I・鹫詡M us y u s L l's童wr#*■L 書-E .f n -sr e U F K e$us.H92m £百1-■阿*E戏*%贰％严一&丫A*u-uk s ?£Lc 』 C3"f l a毒* 1和4£sE E *B J W11v m 「>!5q言石-d ^l L l e l迟E n p xll -,.I 曰右号v d d -o'w -o M n 「口釜l Y ci-te L ^R 」eqlunu>loo-q 〈 p ①ddelu —10①」Q <通过以上三组数据不难看出，当block number增加时，命中率明显增高了。
Cache模拟器实验报告
Cache模拟器一、实验目标：程序运行时，都会对内存进行相关操作，所访问的内存地址可以被记录下来，形成memory trace文件。
在本实验中，你将使用benchmark 程序产生的memory trace文件来测试Cache命中率，文件可以在/classes/fa07/cse240a/proj1-traces.tar.gz上获得。
每次存储器访问都包含了三个信息：1.访问类型，’l’表示Load操作，’s’表示Store操作；2.地址。
采用32位无符号的十六进制表示；3.存储器访问指令之间的间隔指令数。
例如第5条指令和第10条指令为存储器访问指令，且中间没有其他存储器访问指令，则间隔指令数为4。
通过写一段程序，模拟Cache模拟器的执行过程。
二、实验要求：写一段程序模拟Cache模拟器的执行过程，并对5个trace文件进行测试，完成以下目标：1.请统计Load类型指令和Store类型指令在这5个trace文件中的指令比例。
2.设Cache总容量为32KB，对以下所有参数进行组合（共有72种组合），测量相应5个文件的Cache命中率。
通过对命中率的分析，可以发现什么规律。
行大小：32字节、64字节、128字节相连度：8路相联、4路相联、2路相联、1路相联替换策略：FIFO，随机替换，LRU写策略：写直达、写回3. 给出5个文件的最佳Cache命中率的参数组合。
针对不同的trace 文件，最佳配置是否相同。
4. 测量各种组合下Cache和主存之间的数据传输量。
5. 给出5个文件的最小数据传输量的参数组合。
这个组合和第3问中得到的组合是否一致。
针对不同的trace文件，最佳配置是否相同。
6. Cache缺失有三种原因：1）强制缺失；2）容量缺失；3）冲突缺失。
分析这三种缺失并说明你的分析方法。
7. 请给出5个trace文件在最优Cache命中率的情况下，这三种缺失所占的比例，并和教材图C.8给出的比例进行比较。
材料缓冲性能实验报告
一、实验目的1. 了解材料缓冲性能的基本概念和实验方法；2. 掌握材料缓冲性能测试仪器的操作技巧；3. 通过实验，对材料的缓冲性能进行测试和分析；4. 为后续材料研究和应用提供参考。
二、实验原理材料缓冲性能是指材料在受到冲击、振动等外力作用时，能够有效吸收和耗散能量，从而降低对结构的损伤。
本实验采用冲击测试法，通过模拟实际工况下的冲击载荷，测试材料的缓冲性能。
三、实验材料与设备1. 实验材料：选取不同种类、不同规格的材料进行实验，如塑料、金属、复合材料等；2. 实验设备：冲击测试仪、电子天平、尺子、试验样品、试验夹具等。
四、实验步骤1. 样品制备：根据实验要求，将不同种类的材料加工成相同尺寸和形状的试验样品；2. 样品预处理：对试验样品进行表面处理，如去油、去锈等；3. 冲击测试：将试验样品固定在冲击测试仪的试验台上，调整冲击测试仪的冲击速度和冲击次数，进行冲击测试；4. 数据采集：记录冲击测试过程中的冲击力、位移、速度等数据；5. 数据处理：根据实验数据，计算材料的缓冲性能指标，如缓冲系数、能量吸收率等；6. 结果分析：对不同材料的缓冲性能进行比较和分析。
五、实验结果与分析1. 不同材料的缓冲性能比较根据实验数据，对不同材料的缓冲性能进行比较，结果如下：（1）塑料材料的缓冲性能较好，缓冲系数和能量吸收率较高；（2）金属材料的缓冲性能较差，缓冲系数和能量吸收率较低；（3）复合材料的缓冲性能介于塑料和金属之间，缓冲系数和能量吸收率较金属材料高，但低于塑料材料。
2. 冲击速度对材料缓冲性能的影响通过实验，发现冲击速度对材料的缓冲性能有一定影响。
随着冲击速度的增加，材料的缓冲系数和能量吸收率逐渐降低。
3. 冲击次数对材料缓冲性能的影响实验结果表明，冲击次数对材料的缓冲性能影响不大。
在一定的冲击次数范围内，材料的缓冲性能基本保持稳定。
六、实验结论1. 本实验采用冲击测试法，对材料的缓冲性能进行了测试和分析；2. 通过实验，验证了不同材料的缓冲性能差异，为材料的选择和应用提供了参考；3. 实验结果表明，冲击速度对材料的缓冲性能有一定影响，而冲击次数对材料的缓冲性能影响不大。
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。
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。
实验7—— 基于Cache的矩阵乘积算法性能改善实验——计师2班白涵冰
c[i*size+j]+=a[i*size+k]*b[k*size+j];
}
gettimeofday(&time2,NULL);
_sec-=_sec;
_usec-=_usec;
if(_usec<0L)
2000
2500
3000
一般算法执行时间
0.13266
0.727523
9.693668
44.396581
77.960258
184.975176
311.309863
程序1：
#include <sys/time.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
main(intargc,char*argv[])
5.61707
17.696994
38.165972
76.3326
127.5312
加速比
0.46
1.2
1.72
2.51
2.04
2.42
2.44
实验总结：
通过本次实验了解Cache对系统性能的影响知道了cache是如何提高计算机的性能的，通过对程序的优化终于看到了比较惊人的结果。本次实验收获颇多，受益匪浅。
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);
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。
实验1-Cache性能分析
西安邮电大学(计算机学院）课内实验报告实验名称：Cache性能分析专业名称：计算机科学与技术班级：学生姓名：学号（8位)：指导教师：实验日期：实验1 Cache性能分析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,如下图所示:（3)略、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结束。
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、块号以及块内地址.(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,其不命中次数及其不命中率.●读数据操作的次数,其不命中次数及其不命中率。
●写数据操作的次数，其不命中次数及其不命中率。
●手动输入单次访问的相关信息。
3 实验内容和步骤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。
存储器_实验报告
一、实验目的1. 了解存储器的基本概念、分类和结构；2. 掌握存储器的读写操作方法；3. 熟悉存储器的性能指标和特点；4. 通过实验加深对存储器原理和应用的理解。
二、实验内容1. 存储器分类及结构2. 存储器读写操作3. 存储器性能指标4. 存储器应用案例分析三、实验原理存储器是计算机系统中用于存储数据和指令的设备，是计算机系统的重要组成部分。
存储器按功能分为随机存储器（RAM）、只读存储器（ROM）和高速缓存（Cache）等类型。
RAM具有读写速度快、容量大、价格低等特点，适用于存储程序和数据；ROM具有非易失性、读写速度慢、容量小等特点，适用于存储程序和固定数据；Cache具有速度快、容量小、价格高、成本高、功耗大等特点，适用于存储频繁访问的数据。
四、实验步骤1. 存储器分类及结构实验（1）观察存储器的外观和结构，了解存储器的引脚功能和连接方式；（2）使用示波器观察存储器的读写操作过程，分析存储器的读写原理；（3）总结存储器的分类和结构特点。
2. 存储器读写操作实验（1）编写程序，实现存储器的读写操作；（2）观察读写操作过程中的数据变化，分析读写原理；（3）验证读写操作的正确性。
3. 存储器性能指标实验（1）测量存储器的读写速度、容量、功耗等性能指标；（2）分析性能指标对存储器应用的影响；（3）总结存储器性能指标的特点。
4. 存储器应用案例分析实验（1）分析存储器在计算机系统中的应用场景；（2）了解存储器在计算机系统中的作用和重要性；（3）总结存储器在计算机系统中的应用价值。
五、实验结果与分析1. 存储器分类及结构实验通过观察存储器的外观和结构，了解到存储器的主要引脚功能和连接方式。
在实验过程中，使用示波器观察存储器的读写操作过程，分析了存储器的读写原理。
实验结果表明，存储器具有读写速度快、容量大、价格低等特点。
2. 存储器读写操作实验通过编写程序，实现了存储器的读写操作。
在实验过程中，观察到读写操作过程中的数据变化，分析了读写原理。
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性能分析报告1
《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；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；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Ca che性能的影响；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-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。
计算机系统结构实验2报告
骤
及
结
果
2.补充实验
Cache预取的思想是什么：如果cache不命中，在把包括访问字在内的一块取到cache中之后，还要把紧接着的下一块也取到cache中。
在模拟器中，能否设计实验模拟Cache的预取过程？请设计实验直观展示，并在检查时加以说明：能；块大小32B，预取
地址
块号
块内地址
是否命中
命中率
结
总结：了解了cache容量，大小，相联度，替换算法对cache性能的影响。实验过程遇到很多问题，通过和同学的沟通，理解并解决。
附
录
（源程序清单，如果有的话）
如有侵权请联系告知删除，感谢你们的配合！
3.cache块大小对不命中率的影响：cache容量较小时，块越大不命中率越大；cacher容量一定（较大），块越大不命中率越低，一定程度不变。
4.替换算法对不命中率的影响：LUR和随即算法的不命中率随着相联度的增加而减少且随着cache容量增加而减少；在相联度相同，cache容量相同时，使用LUR替换算法的不命中率比随即算法的不命中率小；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。
0
0
0
不命中
100%
4
0
4
命中
66.67%
8
0
8
命中
50.0%
64
2
0
不命中
60.0%
128
4
0
不命中
71.43%
120
3
24
命中
62.50%
130
4
2
命中
55.56%
不预取：
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。
体系结构试验报告(cache存储过程)
体系结构实验报告实验目的通过程序，模拟cache存储过程，并通过控制变量法模拟分析Cache性能实验步骤：我们要通过老师所给程序进行模拟，并通过操作系统试验中老师所给算法生成出project.txt，并通过project.txt里面的数据来模拟程序的局部性等特性。
一、实验结果1、比较关联方式，控制blockSize, CacheSize不变：（1）、Direct_mapped：(2)、Set_associate:(3)、Fully_associate通过上述三个比较可以看出，各种映射有自己的优点。
但是不难看出，增大关联度会减小miss rate，但是增加到一定程度又会有抑制作用。
2.比较Cache大小对于性能的影响。
（1）、Direct_mapped，Cache容量为64时：（2）、Direct_mapped，Cache容量为128时：（3）、Direct_mapped，Cache容量为256时：对比实验结果，不难发现，随着Cache容量的增加，Cache的命中率一直在提升。
分析原因发现，虽然Cache容量大了，但并不等于其预存的内容增多，所以命中率会上升。
3、比较Cache大小对于性能的影响。
（1）、Direct_mapped，关联度为1时：（2）、Direct_mapped，关联度为2时：（3）、Direct_mapped，关联度为4时：（4）、Direct_mapped，关联度为8时：（5）、Direct_mapped，关联度为16时：可以看出，随着关联度的提高，命中率也有所增加。
4、比较block Number对于Cache性能影响。
（1）、Direct_mapped， block number为1时：（2）、Direct_mapped， block number为2时：（1）、Direct_mapped， block number为4时：通过以上三组数据不难看出，当block number增加时，命中率明显增高了。
实验五 Cache模拟器
主存由2n个可编址的字组成，每个字有惟一的n位地址。
为了与映射，将主存与缓存都分成若干块，每块内又包含若干个字，小相同(即块内的字数相同)。
这就将主存的地址分成两段:高它主要由 Cache存储体、地址映射变换机构、 Cache替换机构几大模块组成。
①Cache存储体：以块为单位与主存交换信息，为加速 Cache与主存之间的调动，主存大多采用多体结构，且 Cache访存的优先级最高。
②地址映射变换机构：是将CPU送来的主存地址转换为 Cache地址。
由于主存和 Cache的块大小相同，块内地址都是相对于块的起始地址的偏移量(即低位地址相同)，因此地址变换主要是主存的块号(高位地址)与 Cache块号间的转换。
而地址变换又与主存地址以什么样的函数关系映射到 Cache中(称为地址映射)有关，这些内容可详见4.3.2节。
如果转换后的 Cache块已与CPU欲访问的主存块建立了对应关系，即已命中，则CPU可直接访问 Cache存储体。
如果转换后的 Cache块与CPU欲访问的主存块未建立对应关系，即不命中，此刻CPU在访问主存时，不仅将该图中每个主存块只与一个缓存块相对应，映射关系式为：总之，这种方式所需的逻辑电路甚多，成本较高，实际的 Cache还要采用各种措施来减少地处的比较次数。
组相联映射组相联映射是对直接映射和全相联映射的一种折中。
它把 Cache分为每组有R块，并有以下关系：i=ｊ mod Q其中，ｉ为援存的组号，ｊ为主存的块号。
某一主存块按模Q将其映射到缓存的第ｉ组内，如图4.56所示。
组相联映射的主存地址各段与直接映射(参见图4.54)相比，还是有区别的。
图4.54 Cache字块地址字段由c位变为组地址字段q位，且q＝C-r，其中2ｃ表示 Cache的总块数，2ｑ表示 Cache的分组个数，2ｒ表示组内包含的块数。
主存字块标记字段由t 位变为ｓ＝ｔ+r位。
为了便于理解，假设c＝5，q＝4，则r＝c-ｑ＝1。
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命中率实验报告
矩阵乘程序的cache失效率实验
实验目的：
使用project4中实现的cache验证结论：对于矩阵乘程序，当矩阵规模N=512（或1024）时，数据cache的失效率高于N=513（或1025）时的。
实验环境：
Dev-c++。
实验内容：
使用for循还将地址流保存到二位数组中，随后模拟矩阵乘运算的过程，计算当N=512、513、1024、1025时cache的命中率（源代码中N为DATA）。
方法一是通过真实执行矩阵乘运算来计算cache命中率，而方法二仅仅是模拟取地址的过程，可见方法二的操作包含在方法一的操作中，故显然方法二的时间比方法一的时间短。
实验非常重要的一项内容就是优化算法，使得程序执行时间变短，为此，我分别采用了三种方法来计算地址流：
1、使用三个大小为N的矩阵，其将其内容循环赋值为a、b、c的地址然后依次对相应地址进行访问。
该方法的优点是算数运算较少，且简单直接，但是执行时间较长。
2、将地址流写入文件，然后读取文件内容进行访问。
但是在实际操作时发现，由于矩阵太过庞大，导致文件过大无法实现（当矩阵大小为1025时，我发现txt文件大小为10G 多而且还在不断变大，所以就果断的杀掉还在执行的程序，并且放弃了这种方法）。
3、不将地址流保存，而是在访问过程中计算地址流，但是由于算数运算过多，时间也并不快。
综上考虑，仍然使用第一种方法实现本实验。
结果检验：
由于算法实现问题，导致程序执行需要较长时间，但是从结果上依然能够证明当矩阵规模N=512（或1024）时，数据cache的失效率高于N=513（或1025）时的。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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：<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。
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。
二 simplescalar模拟器基本配置情况下的运行模拟在基本的配置情况下运行自己设计的程序，代码如下：#include<stdio.h>Main(){printf(“hello world!\n”);return 0;}1.编辑好程序后，将其保存在/root/simplescalar文件夹下，文件命名为hello.c，用安装好的simplescalar中的编译器sslittle-na-sstrix-gcc（它的访问目录为/root/simplescalar/bin/sslittle-na-sstrix-gcc）对其进行编译，编译后生成了能够在模拟器中可以运行的可执行文件a.out。
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：说明：下面的截取的界面是一个完整的界面，限于完整的界面太大，在后面的实验内容的三、四、五、六部分只截取了我们需要的部分界面。
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。
三 Cache容量对Cache性能的影响1.操作说明：（1）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）测试的程序是simplescalar自带的测试程序test-math。
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，3.运行结果分析从面的运行结果中，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。
四 Cache相联度对Cache性能的影响1.操作说明（1）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）测试的程序是simplescalar自带的测试程序test-fmath。
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，3．运行结果分析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。