【计算机系统】Cache实验
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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、Ubuntu 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。
通过以上的实验现象，分析出现这种现象的原因。
程序A：
#include \n"
,argv[0]);
exit(-1);
} //if
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);
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);
time2.tv_sec-=time1.tv_sec;
time2.tv_usec-=time1.tv_usec;
if (time2.tv_usec<0L) {
time2.tv_usec+=1000000L;
time2.tv_sec-=1;
}
printf("Executiontime=%ld.%06ld seconds\n",time2.tv_sec,time2.tv_usec);
return(0);
}//main
程序B：
#include \n"
,argv[0]);
exit(-1);
} //if
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];
}
}
gettimeofday(&time2,NULL);
time2.tv_sec-=time1.tv_sec;
time2.tv_usec-=time1.tv_usec;
if (time2.tv_usec<0L) {
time2.tv_usec+=1000000L;
time2.tv_sec-=1;
}
printf("Executiontime=%ld.%06ld seconds\n",time2.tv_sec,time2.tv_usec);
return(0);
}//main
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：
核心代码:
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];
}
}
对于a、b数组的访问部分顺序为：
可以看到b数组访问顺序不符合空间局部性。
2、程序B是基于Cache的矩阵（方阵）乘积优化算法，填写下表：
分析：
核心代码：
for(i=0;i<size;i++) {
for(j=0;j<size;j++) {
b[i*size+j] = c[j*size+i];
}
}
对于b、c数组的访问部分顺序为：
核心代码:
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];
}
}
对于a、b数组的访问部分顺序为：
可以看到数组访问顺序较好的符合空间局部性，属于对cache友好的c语言代码。
3、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。加速比越高，表明优化效果越明显。
分析：
由下图知，总体上来说，当size越大时，对程序B的优化效果越好，即命中率更高，局部空间性更好
五、实验总结与体会
1、通过该实验，对cache的原理有了感性上的一点认识，即因为cpu和主存的速度上的差距，故而在CPU和主存之间设计了一级或多级的cache，cache为SRAM（静态随机存储器），因为cache时钟周期明显高于主存，故而加快了计算机的速度；
2、Cache和主存或cache和cache之间的数据传输是以块为最小单位，块里面保存着多个相邻地址的数据。例如：程序中存在一个数组int型b[4][4],块的大小为16字节，当第一次使用该数组时，例如使用了b[0][0]，会将主存中b[0][0]所在块放到cache中，因为块保存着主存相邻的数据，故而它里面很可能包含着b[0][1]、b[0][2]、b[0][3]，如果按b[0][1]、b[0][2]、b[0][3]顺序调用数组，这样就提高了cache的命中率，减少了时钟周期。如果按照b[1][0]、b[2][0]、b[3][0]的顺序访问，则因为cache的空间有限，当引入b[1][0]、b[2][0]、b[3][0]所在块时，可能将b[0][0]所在的块替换了，此时CPU再使用b[0][1]时，则需要重新从主存中拷贝b[0][1]所在块，这使cache的命中率下降了，增加了时间周期。
3、因此我们编写对cache更友好、符合局部性原理的代码，以提高代码的执行效率。