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文档简介
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;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,redhat9,0linux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Cach
2、e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LRUW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
3、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,simsafe,sim-cache,sim-cheetah,sim-pro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勺结构
4、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吉构,同时数据和指令Cach吩开。SimpleScalar的Cach卷数酉己置命令为::Cached勺名称,其中:dl1:一级数据Cache;dl2:二级数据Cache;111 :一级指令Cache;112 :二级指令Cache;dtlb:数据TLBjitlb: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:dl1dl1:2048
5、: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RANDQ循此配置下,一级数据cache的容量为2048*64*4=512KB由于SimplescalarSpec2000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simplesca
6、lar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:111,tebjjcksill.inva1ida1ions00#10la1munberli|janunberofwitebatksd1Jses4+20lu1nunberx?facccsssdll.hitiJfiS*id1iiuiibcr-ofhiLsd11l1tussfs+57IdLii1Ejnberofiiumd11即1口千瞧nt$2(n#ini1iiunherofre
7、placenrntid11.writebacks190ion)nunberofitebacksdll.inva1iU时1i心0口leuJikuiibcrinvj1idiiIiim学dlljiuis_rjieO.HK34flmiss】ate(a.吧misscs/icl)d11.repl_rjie口.U45HJr?p1aceripntrate(i+e.口12.uccess-psH)yxfl1uLj1ELinberofacce&sesu12.hitt&55力“,Ia1rLinber4)fhiisu12rminsesin酒Iininber心fmiqhu12.rpIn十4?nt?nt40fiioldnu
8、nbcr心frpHc-eiirntsiu13.wrbirbjcks0fllala1runbcr4fmtiteb-a-cksu12,inva1idaiions1)It10君1nunberofinva1id物tionsu12j-niss_rjIe0.4007#misnraleti*misses/ief)u12.i,史pI_rale0.0000#rop1acrrivritr-3te(i.errep1s/rcf)ui12.wjbralU.0OOO时wiai1:ebackratnei1lbrBCCC57942*iqih1nunbfr电facsiisitlb.hiti7划#iola1iiuiibcr力fb
9、iLsitlbLmisses10IdLj1JiLirtbcr力fniiss-esi1Ihtrep1.lceiwnts0l(91a1runberofreplar-eiiFiilsjtlbiwrilelicKhis0iqmInunberflfayMebjfks11Th.inviida1idhhH11mit&_ra1,HIb.itpl_iait11lb.wfi_ratei11h.inv_rnletlLlbbHinf!idtlb.hiti11lb.miivtlLlb.1rplnttiitiiEidtlb.writebiclid11b.inviIidationAdtlb.mis!;_ratedtlb.r
10、eplritedtlb.v4i_iutritlb.invraitId_if,-i_hneld_tcxi_ni/ld_ikla_t)aseizrhlia用cld_ilack_s17Cld_prnjj_fmryltl_ctwirun_ldscld_targft_bi意工ndiinnrmpjg(?_coLnlincrupwniinrmplubminhnTmpl!ib_aco&iIILFTlpldb_ltliUIf0.0000J布帅t70128tOxlOWOOJOfAH2t0x7fff000IE3M,0xte(i.e!fewhks/ref)fl.OOiXltinvi1idaIinnrateL.invs
11、/rff4420*iInuntctolnr.jIidition:.001/mi:rnl巾fi-iriMt1ff)inva|idsionrite.tiuvs/rcf)proprumt*xriIrTrnih片programtexIcodeJiiitinprogrammiIgrammiluJstickhe史pcgr,inryprml(itiiTin1PC-pio(ramrnviionntiilba*,ddtlitraijddrrsIsraelfieculibltfndlan-ncPnon-ztro11bigendtiniclaIi
12、iunix?rofu】加modintjIilviTm1n)iypnsaluvaLrillolaI(irsiItveIphrftubIcmiisc5iclaIFglabIcjcctitfiitI集丫廿IpiL1libitiuu-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(dll)的信息进行分析:dll.accesses4420#totalnumberofaccesses一级数据cache上的总访问次数dll.hits3963#totalnumberofhits一级数据cache上的命中次数dll.misses457#totalnumberofmisses一级数据cach
13、e上的失效次数dll.replacements201#totalnumberofreplacements一级数据cache上发生替换的次数dll.writebacks190#totalnumberofwritebacks一级数据cache上发生写回的次数dll.invalidations0#totalnumberofinvalidations一级数据cache上无效访问的次数dl1.miss_rate0.1034#missrate(i.e.,misses/ref)一级数据cache上的失效率dl1.repl_rate0.0455#replacementrate(i.e.,repls/ref)一
14、级数据cache上发生替换的概率dl1.wb_rate0.0430#writebackrate(i.e.,wrbks/ref)一级数据cache上发生写回的概率dl1.inv_rate0.0000#invalidationrate(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。3、Cache
15、容量对Cache性能的影响1 .操作说明: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?参数。2 .运行的界面(截取了部分所需的界面)如下图所示:d11.acceses57466Xdll.hi356071口dl,nissesIMSd11hreplanrnts1331Jdllkwrileb4icksS271dll.inva1idations0卡d11.miss_rjLe0.02434d1Krep1_rate0.0232#dll.wh.Tatc0.01443d11.in
16、v_rat000fl0也容&4KB(64*32*2*1)时,toljLnuiiberofaccetuLjLnunberothits,nlalnunberofmissesIaInunberofreplarenpntsIg1iIminbcrofwi-iteb.akstuLj1nuiiboiafinva1idulionsnumratemisse7re1)rep1afeiiEnlrate(iieL,rep1s/ref)urittbackratei.十Mibks/refiiivaIido1ionric(i.r.,inv/rrf)rocitfPOClIj!LOO暨(NCZChinJl111linplcii
17、m3incachecichcjd11dll132;322;Itcit曜Ih.L一。ID1C*W_I口A忆5。d11.3CCCSSC5574ftfitoL1nuiiiicrofacccsstsdll.hUi56626港ioLj1nunl止ro1hitsd1Jmi$e$S40fltuL2i1nniil)erImissesd11.rp1acrnpnts72totalnurrbero1TepBareiren1dllrutitehaksS4XflIminherofutilehacltndll.invalidationi;0fl1口”Iniivbcrofinva1idaiion?d11.iniM&_LO0
18、.014Gflmisirmt(Lt.imi容&8KB(128*32*2*1)时,2012100201bun.hnle/rMl/arrplrjflltr/sirtpkjim3.0tmil1Jilcbjcks359ifIgid1runberoI,vrilebacksd11,inva1idaticn0i口ia1nunberofinva1idaiinndl1.mifle0.0116misiirale(i.misses/ref)dll.repl_rjIO.OG72#ropIaccrrcntyate(i“也*,ropls/rofd11.vbraLe0.WG2fiuritcbsckrai.rMThkU史1)
19、dll.inv_rateLLDOUU#inva1id口tionr口te(i.rinvs/ref容量为64KB(1024*32*2*1)时,ill15再时NLcLi1nuiii)erOf学d1J.hits58924flLcla1nunte(athiimd11.mis542flIcsm1nunberofmissesdl1trepla(*enFnifl0RinialnunberofrpplnTwnrn1d11.ytitchuM$0Nl49tu1nunbcrofmtiiebackstill,inva1idiiions0lulunuiibcrofimj1idjiiuniJ11.ITU(-Eu山immis
20、srj(i-e*misscs/r-ef)dll.repl_ral-e0.0000#replacenrntrateRi上一rep1s/reT1dl1,iAt_ra1e.0000t(MTilebarkratetil-wrhk专/廿f)dll.invraten.ooooinva1idmionralefi.已一inv?/ref)frindtPf?fi121XiiSOfOTbituIiul-ldFiw】i八iirplmli八ii甲IfTrr:k。八iurtIim1lI11(11k1024;4221trath4、1.2.Cache相联度对Cache性能的影响操作说明改变simplescalar模拟器中的一
21、级数据cache的相联度大小。与此同时固定cache的容量16KB块大小32byte以及替换策略为LRU等参数。运行的界面(只截取了部分所需的界面)如下图所示:相联度为1路时,tqo1W(30131-OO62QIQdl1.vb_rateD.0044并itebsckrate(ie卜urbks/r*1f)JU.inv_rato0.(1000Ifin*1ida(ionriteCiinvs/ref相联度为2路时,dll.jccesse片dL.hits1H1E4Ad1.inises47tifldll.r*pJarcnnt!:2&ddll.wilebick22ttd11.invd1idak沁n*0ftdl
22、l.iniis_raletLuat;#dll.r-epl_raIt0.0017fldll,vrfi_rate0.0011#dll.inv_rate0,0000#LC111nuoiiieruficcetieglvlainuirburoftllLLula1nuirberofmissestnia1nunfrer护pljcpnrrni兄Ida1nunrherufmtiteback$Lula1nuirber0finvj1idi)Iionsmissraims/ref)rfplacenntrate(Le.4repIs/refitebackratefi-uthiss/ref)invalidationratet
23、i.c卜invsfrtfrdl1_raleU.MMlfiutiTebackise(i.e,.mtbk$/ref:1dlliinv_rite0.0000niiru1idution11ip(i.,invs/ref相联度为4路时,口miE何NT2nI2I11i|i1i|1Ir|/tiih|/-h.iit|i11-6-i-Iai/-.ih”Iti所,Ii&jirrl?ibtr.*“I11l|11iIJSt:2-Iif,11-fjs11Hh相联度为8路时,riM3*PC?ni?1!iri52OWrhiiulilllrll,fMH八iirplm八irriHr11rr.AiiitmiliriId11d11:
24、64HR:IInL“iithdll.accem0电与16639#luLu1minb电ofaeceiiedll.hits1617fllotaInumber0fhitsdllLITisses472inLaLnunberofnussedllijup1arcrrnts10#iotn1minberofreplaceurni$dllALTi1Cb4)?k7lotaInuiibcrofitchacksdll.inva1i_raic0.0004#xxriubackratei.EiWT4js/ref)dlltinv_ratrinraIidaiinnLe34jnvs/ref)相联度为64路时,too14PC2U1
25、21bin.Ii11le9Aroa1/e,irrplesealar/=.irrpksurn-inrcacbo-ciclhe:dJ1d11iki;Itesi-inulhJ11.3-cresses16SA9#LoLa1nuiiberofacceasdl1hits16169Niota1nunber5、Cache块大小对Cache性能的影响1 .操作说明改变simplescalar模拟器中的一级数据cache的块大小。与此同时固定Cache的容量为32KB相联度为2以及替换策略为LRU?参数。2 .运行的界面(只截取了部分所需的界面)如下图所示:块大小为8byte时,mttf-EijW1,2JIbin
26、.1i11Helf/rI/iirrpIraIjr/kirv|-1sim-Scini-rirh?-cacbridIdIh2U1X:K:2:1i电发Lprdll.hits529W4*Lola1nuiil)eifhi上dll.ITUEE13050kLQLHInuirbetofmii%esdll.rpUesdlJ.liH5303631loll1nunberofhitmd11Lmsses】Alota1iiuraberotmissesdW.rep52tota1nvntoerafreplacennisd11.witcback0#tota1miraberofitebacksd11.invd1hIjiiuiK0
27、巾lol疆1nurrbcrafinva1idationsdUjnivjraleo.oo2ommiKMalt?(i,misteiyref)dll.repl_raLe(LOOM#replacerrEntrate,卜repls/ref)dLI.vib_risuwiKbackdie,i.v*Tks/refdll.inv.T3tefl,onoo#invaIidatinnr-are(ike.tinvE/ref)当块大小为32byte时,IraoKiXJtllJJLtl-pLOKZLbill.ill#Jfcio1/sirtpDcsc-a1df/11iipl-d-3rii-J.0/siriycAlb.D-cl
28、iche:d11dlhSII.42s2:1l-csmilldl1.accesses5314240lo1iiuiiberufacresdll.hits#lolaliiuiiberofhtlsd1.missee#Lnlalnuiiheit)fmissesd11.rapgcFn?nts3PtofaIiiunhernfreplacrrrmtsd11ilebacks廿Idla1iiLiirhernfwritbackftdll.ina1ida1ionsnftLal.a1nuirberofinva1idu(ionscl11.ini$s_rate0.U011ffrmsirdle(iLc.tin1?/rei)d
29、11Lrepl_rateU.000#repla-cenEntislerepLs/ef!d11,v.h,rate0、OOM#wiiirbackratr:i,1rbks/rtf)d11.inv_rale0.0000HinvaIidtionra(eiuvs/rtf当块大小为64byte时,打打加霜口。-h11lef/root/*irrpkf;calir/eirajileiinr3B0Rtureache-!1:dlJdl1:254?Hr2?11*s1-prhiliJ11.5S31424#loid1nuni)rot就配士电匕工史wtlI.h11sS31129用Lcla1nunberafhit工d11一而
30、雪we$#tnla1nuniierofrnisse?dll,rtpkepnriH:Io#ijla1oumterflfTeplacfiipni!;dll.witebacks#iola1nuinterofilehj-cksJ11.iliva1idatiohs0#loLalnunberofinud1iackraufi.E.DiTbks/rfdll.inv_T8i0.0000#inva1ida(ionrale(i.e.,invs/reD6、Cache的替换策略对Cache性能的影响1 .操作说明改变simplescalar模拟器中的一级数据cache的替换策略。与此同时固定Cache的块大小为32by
31、te、相联度为2。在Cache容量为2KB4KB8KB和64KB的情况下,分另进行测试。2 .运行的界面(只截取了部分所需的界面)如下图所示:容量为2KB时,使用了LRU?换策略(rod!中屿第bin.Iltlk#lit):eint-eicl!dlldiLt3mJUL-Lh碑tl11Klch#-ed11dI:iJ:2:iHITJll.jcceses104T3#loinnuiibcrofaccc$学JIJ.hits”岫#Lcij1nunberothlKdII.nu54g4fltolainuiiberafmissesdlILreplaLenrnifl420atola1nunherofrephceu
32、rn1rJI.writebads$99ttLnluJnunberofiteback!idll.invB1idaiions0%LUin1nunberafinvj1idjilionsJ1J.iniS_fill-Eua?4(;2mi甘raLe(i、E-inissjcs/refdll.rep1_:al-eO.WIflrepUcenrnt二Le(iheTepIs/rtfdl1.曲居1efL03fiHmtitf*backratpi+e.ttThksfref)dll.invraten.flooo#inva1ida1ionrale(i.e*,invs/ref)容量为4KB时,使用了LRU?换策略CtuuhlC
33、20l2OO.55OtffiCbin.liltlclf/ruol/aittpkIqiJiiiplesiiifr9.0/dinrcacbc匚nd”;d11dll.M:1IealIIn1Rdll.acteiscs10473tutuInuidrcrnfaccessesdll.hitsIMO7itlotaIiiuiiberth11sdll弓se34fi4i#tntaInunrherofmissesdll.iepIaccrre-nls33Ka(otaIminrhercfreplaccnrnl齐dll.wiicbacks329IoiaInuiitcrofAiilehacksdll.mvaIiddtions
34、0to(aInuiiicrofmjIidaLionsdll.ini?is_raic(J,0445Emissraic(i.el4imisses/ief)dllLrepIIeQ.nw#repIarentntrate-i+e-rep1s/re1)dll。由4VhTiieckraitfim.Tbks/rcf)dll.ifivrat+0.0000airivaIidatinnrjte(i,c.+invs/ref)使用了RANDOM略Lrii121UUS2UKZLbm.11LtJcJ0Fr。口i八inplEmcLr/zl4:2:rld&L-IIod1.ac-resse51U471tcLa1nu曲erofae
35、tcsses.dll.hits10()0fi#l-aLa1nurrhrrofhiIsdlljni5ses4G7#iqla1nuacrofmisscsdll.i史pJicentnis341L-ola1nulitreiufjeplaceiirnttl1J.llebacks史口LcLaLnunl)eiofwtitehackidll.inva1idations0tcta1nuniierofinaIidaIionsdl1E55_rnte0.0444;misrralemi5sr/ref)dll.rpl_rate0032Grc|lacetitntrulett.e.Trcpli/i,e1:dll.岫一raL0
36、.031511ebacktei*七.wtbks/redll.inv_ratrk力。00#invalidatinrate卜in、*,f)容量为8KB时,使用了LRU策略(uocjLlFQO121JOSSOKZCbhi.1iltlr)1/ru-u1/sii/Ir5La.Idr/&iiipIcino5.0iin匚a小(ca4工:d】d.112肌3之一2二ILesL11疝邮11.acresse工IU473tutaLnuirbej,ofjccessesd11.h11s1HCUb#tuta1nurTbetofhiLMd1J.itiisses4!i5#tota1nunber(3fmis5esdll.rep1
37、acenrnisVWittota1nurrberofreplacerrpnind1Lwritebacks20()*tng1nurrbeiofitebacksdll.inv-a1idaliunsO*tutu1nurrbtrufinvaIidulioiihdll.mi5s_rateUJI444rrnarate(l.e.,rmsstsZref)d1J.rep1_raeOJI2UO#rrplcenenLrale(i.e,rep1fi/ref)d11.ub_rateOJH91TitebackraleCi.e.dxrbks/ref)d11hinv_rateO.ftOOOitinva1idaXinnra(i-invs/ref使用了RANDOM略1(LouLftSOlilOlu2ViCiLbJii.1iILIeJ/iuu1fiicrpDrscjIjgfiicrpIrsimJ.07sinicachecaclw;d11lIU.12占一52;31It占I1Id11.jcce&
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