cache性能分析报告
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《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：
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；
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