【计算机系统结构实验】实验3 Cache性能分析

3.1 实验目的

加深对Cache的基本概念及其工作原理的理解；

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；

理解常见替换算法（LRU与随机法）的基本思想以及它们对Cache性能的影响。

3.2 实验平台

实验平台采用Cache模拟器MyCache。

3.3 实验内容

快速阅读课件“第7章 存储系统”的“7.2节 映象规则/查找算法/替换算法/ 写策略”（19-41屏）,“7.3节 降低Cache不命中率”（49-56屏）。

3.3.1 Cache块访问分析

1）启动MyCache，点击“复位”，把各参数设置为默认值，选择一个地址流文件，比如all.din。查看一下地址流文件all.din中的前4行：

2  408ed4         读指令

0  10019d94       读数据

2  408ed8         读指令

1  10019d88       写数据

每行都由两个数字组成，第一个数字表示操作类型（0:读数据，1:写数据，2:读指令），第二个数字表示地址（16进制）。比如：第一行的意思就是读指令（指令地址是408ed4）。

2）按默认设置，即：统一Cache（容量64KB），块大小32B，相联度为1（即直接映像），替换策略LRU，不预取，写回法，写不命中时按写分配。

    步进执行，自己分析写出前4步操作（即前4行）每步访问的主存块号、块内地址、Cache块号，分析不命中/命中的原因。

1.  2  408ed4         读指令

因为是第一次访问该块，所以cache中没有该块，所以不命中。

地址流文件中，指令地址为408ed4，换算成十进制为4,230,868，即为模拟结果中的地址。

因为统一Cache（容量64KB），块大小32B，相联度为1（即直接映像），所以有2048块（组），索引占11位。

该块的块号为2 0476（16进制），块内地址为14，索引（组）为476。

2. 0  10019d94       读数据

因为是第一次访问该块，所以cache中没有该块，所以不命中。

地址流文件中，数据地址为10019d94，换算成十进制为268,541,332，即为模拟结果中的地址。

因为统一Cache（容量64KB），块大小32B，相联度为1（即直接映像），所以有2048块（组），索引占11位。

该块的块号为80 0CEC（16进制），块内地址为14，索引（组）为4EC。

3. 2  408ed8         读指令

地址流文件中，指令地址为408ed8，换算成十进制为4,230,872，即为模拟结果中的地址。

因为统一Cache（容量64KB），块大小32B，相联度为1（即直接映像），所以有2048块（组），索引占11位。

该块的块号为2 0476（16进制），块内地址为18，索引（组）为476。

因为是第二次访问该块，cache中有该块，所以命中。

4. 1  10019d88       写数据

地址流文件中，数据地址为10019d88，换算成十进制为268,541,320，即为模拟结果中的地址。

因为统一Cache（容量64KB），块大小32B，相联度为1（即直接映像），所以有2048块（组），索引占11位。

该块的块号为80 0CEC（16进制），块内地址为8，索引（组）为4EC。

因为是第二次访问该块，cache中有该块，所以命中。

3.3.2 Cache容量对不命中率的影响

1）点击“复位”按钮，把各参数设置为默认值。选择一个地址流文件，比如all.din。

2）选择不同的Cache容量，分别2KB、4KB、8KB、16KB、32KB、64KB、128KB、256KB。分别执行模拟器（点“执行到底”按钮），自己列表记录各种情况下的不命中率。

Cache容量（KB）	2	4	8	16	32	64	128	256
不命中率（%）	9.87	7.19	4.48	2.65	1.42	0.89	0.60	0.49

3）根据该模拟结果，写出你得出的结论。

由表可见，Cache容量越高，不命中率越低。原因是当Cache容量越高时，访问的块越有可能被保留在cache中。其中，当cache容量大于64KB时，不命中率的降低幅度大幅下降。

3.3.3相联度对不命中率的影响

1. 点击“复位”按钮，把各参数设置为默认值，此时的Cache容量为64KB。选择一个地址流文件，比如all.din。
2. 选择不同的Cache相联度，分别为直接映像、2路、4路、8路、16路和32路。分别执行模拟器（点“执行到底”按钮），自己列表记录各种情况下的不命中率。
3. 根据该模拟结果，写出你得出的结论。

Cache相联度（路）	1（直接映像）	2	4	8	16	32
不命中率（%）	0.89	0.53	0.47	0.45	0.44	0.44

由表可见，Cache相联度越高，不命中率越低。原因是因为cache相联度越高时，块存放的自由度越高，被替换出的可能性越小。其中，当Cache相联度大于8时，不命中率的降低幅度大幅下降。

3.3.4 Cache块大小对不命中率的影响

1. 点击“复位”按钮，把各参数设置为默认值。选择一个地址流文件，比如all.din。
2. 对于不同的Cache容量，分别为2KB、8KB、32KB和128KB，在每种容量下选择不同的Cache块大小（分别为16B、32B、64B、128B和256B）进行实验。分别执行模拟器（点“执行到底”按钮），自己列表记录各种情况下的不命中率。
3. 分析Cache块大小对不命中率的影响。

Cache容量（KB）/ 不命中率（%）/ Cache块大小（B）	2	8	32	128
16	12.02	5.79	1.86	0.95
32	9.87	4.48	1.42	0.60
64	9.36	4.03	1.20	0.43
128	10.49	4.60	1.08	0.35
256	13.45	5.35	1.19	0.34

由表可见，当Cache容量一定时，随着Cache块大小增加，不命中率下降后又上升。这是因为增加块大小会产生双重作用：（1）块存放的自由度增高，减少了强制性不命中；（2）Cache中可存放的块的数目减少，增加了不命中率。当块比较小时，第(1)种作用起主要效果，使不命中率下降；当块比较大时，第(2)种作用效果超过第一种作用，使不命中率上升。

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最后一点碎碎念：如果各位有发现本文有哪处有误或理解不当的地方，敬请指正。