cache性能分析报告

《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-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。

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